专利名称：一种小信号模拟三相交流电网控制器及其方法
技术领域：
本发明涉及模拟三相交流电网控制器及其方法，尤其是小信号模拟三相交流电网控制器及其方法。
背景技术：
在AC-DC整流器的实验调试过程中，由于直接加三相强电，对于整流器的检测具有一定的破坏性，对实验人员的人身具有一定的危险性，尤其是高电压大电流场合。另一方面，三相强电的频率、相位和幅值和固定的，而三相交流电网出现故障也是很危险的，如果要进行相关的技术实验，需要改变它的频率、相位和幅值，或者试验电网出现故障(缺相、 短路和接地)时整流器的工作状况，直接对三相强电进行相关变换的仪器设备不仅技术难度大，成本高，而且在强电的环境下试验的危险性高、多次重复试验的便利性差。在这种情况下，如果能够研制出一种小信号控制器来模拟三相交流电网，发出小信号的三相交流电， 做到频率、相位和幅值可控，同是可以模拟三相交流电网的故障(缺相、短路和接地)，那么无论是从技术难度，成本考虑，还是从实验调试的便利性、安全性出发，都是一劳永逸的好办法，因为它可以提供一个模拟三相交流电网的实验平台，为AC-DC整流器的调试提供便利。在产生三相正弦波方面，CN101777872A公开了三相正弦波发生电路，其采用查表的方法，将正弦波信号离散化的数值储存在EEPROM中，然后用DA芯片将采样点打出，再经过滤波器得到三相正弦波。该方法存在的主要缺点如下①由于是用数字化的方法打出离散的正弦波，因此失真度较高；②储存正弦波的采样值占用的EEPROM空间较大；③由于查表打出正弦波的方法多为定时累加得到周期，周期值可以很精确，但换算成频率值，就可能会出现小数点情况，精确度低；④三相正弦波信号相位差固定不可调，幅值稳定不可调；⑤不能模拟三相交流电网的故障，缺相、短路和接地。CN200976565C公开了一种正弦波发生电路，采用运算放大器的正反馈网络振荡产生正弦波。CN101478286A公开了一种方波-正弦波信号转换方法及转换电路，采用N个方波次级信号叠加得到正弦波信号，优点是不需要较高阶数的高频滤波器。CN22076938U公开了一种简易的正弦波移相可调电路，米用RC移相,移相范围为O- Π /2,优点是电路简易，易于调节。上述现有技术存在的缺点如下①用运算放大器正反馈振荡的方法得到的正弦波频率不能改变，幅值也不可精确调节；②采用的是N个方波次级信号叠加得到正弦波信号的方法类方案非常创新，但要产生N个方法需要的方波发生电路较多，在这方面需要投入的硬件电路较大；③使用RC移相的方法缺点是移相范围太小，O- Π /2。
发明内容
因此，仍然需要发展一种小信号模拟三相交流电网控制器及其方法，其可以解决在AC-DC整流器实验调试过程中直接上三相强电带来的危险性和不便利性，并且可调节性好，实现对多种状态的模拟。本申请的发明人进行了反复研究，令人惊奇地发现如下技术方案。本发明的目的之一在于提供一种小信号模拟三相交流电网控制器，其包括顺序连接的电压反馈环、减法器、四阶巴特沃斯有源低通滤波器、RC滤波调理电路、同相放大器、程序放大器、隔直电容器、和电压跟随器；所述的电压反馈环包括有效值采样芯片和单片机；所述的单片机用于产生单极性的方波；所述减法器用于单极性的方波转为双极性的方波；所述同相放大器用于将依次通过四阶巴特沃斯有源低通滤波器和RC滤波调理电路产生的正弦波的幅值放大，作为程控放大器的参考输入端；所述程控放大器用于控制同相放大器产生的正弦波的幅值。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述的程控放大器包括执行机构和运算放大器。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述的程控放大器包括DAC0832芯片和tle2602芯片。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述的电压反馈环由有效值采样芯片AD536和MC9S单片机内部AD模块构成。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述的单片机产生三路峰值为O 5V单极性的方波。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述减法器将单极性的方波转为峰值为-2. 5V +2. 5V的双极性的方波。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，四阶巴特沃斯有源低通滤波器的截止频率为60Hz。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，所述同相放大器放大后的幅值为7V以上。根据本发明所述的小信号模拟三相交流电网控制器，优选地，程控放大器包括由数字量MSB-LSB控制的电阻网络，其三个管脚I out I、I out 2和Rf输出分别接运算放大器的反相、正相输入端和输出端；并符合如下关系Uout =-^Uref (O < DI <255)式中，DI表示单片机给出的数字量，UMf表示在参考输入端输入的正弦波幅值，Utjut 表不输出端输出的正弦波幅值。本发明的另一个目的在于提供一种模拟三相交流电网的方法，使用本发明的控制器产生小信号三相交流电，小信号三相交流电经过缺相故障选择继电器，输出的三相给负载；在每相线下面分别接模拟接地故障和短路故障的继电器的公共端，三个模拟接地故障的继电器的动合触点接地，三个模拟短路故障的继电器的动合触点全部连在一起；并进行如下判断(I)当ABC三相中哪相发生缺相故障时，该相所在模拟故障继电器公共端与动触点断开；(2)当ABC三相中哪相发生接地故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合；(3)当ABC三相中哪两相或三相发生短路故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合。本发明为AC-DC整流器的调试提供一个实验平台，用小信号模拟三相交流电，达到便于检测和调试AC-DC整流器的目的。该控制器具有良好的人机界面，既可以通过键盘输入设置参数，也可以用上位机通过串口通信来设置。
图I为小信号模拟三相交流电网控制器总体框图。图2为程控放大器原理图。图3为继电器模拟三相交流电网故障图。图4为程序流程图。图5为三相正弦波幅值闭环控制算法。
具体实施例方式下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。本发明提供一种小信号模拟三相交流电网控制器，其包括顺序连接的电压反馈环、减法器、四阶巴特沃斯有源低通滤波器、RC滤波调理电路(即RC滤波电路)、同相放大器、程序放大器、隔直电容器、和电压跟随器。本发明所产生的小信号三相交流正弦波，不是简单用作信号发生器，而是旨在解决在AC-DC整流器实验调试过程中直接上三相强电带来的危险性和不便利性。以下将详细描述本发明的小信号模拟三相交流电网控制器，以及模拟方法。(I)总体方案图I为小信号模拟三相交流电网控制器的总体框图。优选地，本控制器采用闭环控制，实现输出正弦波的幅值达到给定值(O 7v)。在本发明的控制器中，所述的电压反馈环包括有效值采样芯片和单片机。优选地，电压反馈环由有效值采样芯片AD536和MC9S单片机内部AD模块构成。在本发明的控制器中，优选地，程控放大器由执行机构(例如DAC0832芯片)和运放机构(例如tle2602芯片)构成。程控放大器的参考电压输入的是三相幅值在7v IOv 之间的正弦波，参考正弦波的实现经过了减法器、四阶巴特沃斯有源低通滤波器、RC滤波调理电路、同相放大器、和电压跟随器等环节。本发明的控制器产生的三相正弦波频率变化范围为40 60Hz。在电网工频常用频率点40Hz、50Hz和60Hz。本发明的控制器产生的三相正弦波相位的变化范围为0° 360°，相位随时可调，一旦调节完成，相位差稳定，不会再变。本发明的控制器产生的三相正弦波幅值变化范围为O. OV 7. 0V,闭环控制的精确度在±0. IV以内。(2)参考正弦波产生电路如图I所示，单片机产生三路峰值为O 5V的方波，优选为O 4V的方波，更优选为O 3V的方波。上述方波先经过一个减法器，将单极性的方波转为峰峰值为-2. 5V +2. 5V的双极性的方波，优选为-2. OV +2. OV的双极性的方波，更优选为-I. 5V +1. 5V 的双极性的方波。该双极性的方波通过四阶(即4阶)巴特沃斯有源低通滤波器，该滤波器的截止频率为40Hz、50Hz或60Hz，优选为60Hz。本发明的控制器产生的三相正弦波在 40 60Hz范围内的失真度较小，由于四阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率为60Hz，因此在 60Hz这点失真度是最小的。通过四阶(即4阶)巴特沃斯有源低通滤波器的方波经过RC无源滤波调理电路产生正弦波幅值。该正弦波的幅值较小，经过一级同相放大电路。将正弦波的幅值放大到 7V以上，优选为8V以上，更优选为IOV以上。将幅值放大后的正弦波作为程控放大器的执行机构(例如DAC0832)的参考输入端。(3)程控放大器部分图2为程控放大器原理图。由数字量(MSB-LSB)控制的电阻网络在执行机构(例如DAC0832)的内部，其三个管脚Ioutl、Iout2和Rf输出分别接运算放大器的反相、正相输入端和输出端。这是一种反相放大器的接法，由运算放大器的虚断知，流入正相输入端 Iout2的电流和流向输出管脚反馈电阻上的电流相等，其关系为-^ = ^(Μ5Β·- + ΒΙΤ6·\ + ΒΙΤ5·\ + ··· + ΒΙΤ\·\ + Σ5Β·\)
IR IR222232728
「 π Uref DI= --
IR 2564 Uout = -^Jref (O <DI< 255)
256所以，在参考端输入幅值7V以上正弦波时，通过单片机给执行机构(例如 DAC0832)的数字量DI，可以控制运算放大器Uout输出正弦波的幅值。(4)继电器模拟三相交流电网故障图3为继电器模拟三相交流电网故障图。由上至下的方框中，分别表示缺相故障；接地故障；和短路故障。首先，小信号三相交流电经过缺相故障选择继电器，输出的三相给负载；然后，在每相线下面分别接模拟接地故障和短路故障的继电器的公共端，三个模拟接地故障的继电器的动合触点接地，三个模拟短路故障的继电器的动合触点全部连在一起。当ABC三相中哪相发生缺相故障时，该相所在模拟故障继电器公共端与动触点断开即可；当ABC三相中哪相发生接地故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合即可；当ABC三相中哪两相或三相发生短路故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合即可。(5)MC9S单片机程序与算法图4为程序流程图。程序开始运行后进行系统初始化，包括IO端口初始化，液晶显示初始化，PWM初始化，SCI初始化，初始化完毕后，如果产生接收中断，系统将执行中断函数，接收共17字节的一帧数据，最后一字节为前面16字节和的低8位校验，如果校验相等，则发送成功标识“0ΧΑΑ”，更新数据，执行FINISH函数，打出符合要求的三相正弦波；如果校验不相等，则发送失败标识“0XFF”。正常情况执行液晶显示“优科利尔标志”等信息的开机画面，最后显示参数画面，主程序循环执行矩阵键盘行扫描程序，判断是该行哪列的键按下，执行该键的键处理程序，如果是数字键，则修改相应的参数，如果是CD键，则是左移或右移欲修改的参数栏，A、B键为调试键，正常工作下不使用，E键为清零键，如左移或右移至欲修改的参数栏时，先清零，再置数，F键为确认键，执行FINISH函数，打出符合要求的三相正弦波。FINISH函数，先完成三相正弦波的频率和相位的实现，然后执行幅值的闭环控制，闭环调节完毕后，模拟三相交流电网故障，分为正常无故障、缺相故障、短路故障和接地故障。①矩阵键盘输入算法键盘直接置数，有两种方法实现。第一种是只定义I个变量存取键盘上的数，再定义一个按键数变量，每次按下I个键后自动加I。在屏幕上显示键盘上的数，每次显示的位置右移I个位置，右移的位置数由按键数变量确定；第二种方法是定义I个数组，数组元素的个数为按键数，再定义一个按键数变量控制按键的次数。屏幕上直接显示数组的元素，每按一次键，数组上的元素更新一次同时指针右移一次。本控制器采用的是第二种方法，首先定义了一个参数显示标志变量，其值在0-12内变化，分别对应不同的参数菜单栏，当按下C 键/D键时，该参数显示标志变量自减I/自加1，对应液晶上的参数菜单栏被覆盖，使用者可以知道需要更改的是哪个参数。选择好参数菜单栏后，按下清零键，先清零，其它数字键0-9在不同的参数菜单栏时，按照高位到低位的顺序，依次更改参数。当参数更改完毕后，再按下F确认键，屏幕上打出“确认”，同时执行FINISH函数，设置好PWM模块中的频率， 相位的打出采用的是定时的方法，将相位换算成时间，在打出完整的PWM波之前，先定时打出相位时间的低电平脉冲，然后出来的PWM波转换成的正弦波就是带有该相位的波形。最后需要对打出的正弦波的幅值进行闭环控制，该算法的实现详见③。②串口通信协议SCI串口采用的是I位起始位，8位数据位，I位停止位的格式，一帧有17个字节， 上位机发送的数据帧的含义如下
权利要求
1.一种小信号模拟三相交流电网控制器，其特征在于，其包括顺序连接的电压反馈环、 减法器、四阶巴特沃斯有源低通滤波器、RC滤波调理电路、同相放大器、程序放大器、隔直电容器、和电压跟随器；所述的电压反馈环包括有效值采样芯片和单片机；所述的单片机用于产生单极性的方波；所述减法器用于将单极性的方波转为双极性的方波；所述同相放大器用于将依次通过四阶巴特沃斯有源低通滤波器和RC滤波调理电路产生的正弦波的幅值放大，作为程控放大器的参考输入端；所述程控放大器用于控制同相放大器产生的正弦波的幅值。
2.根据权利要求I所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述的程控放大器包括执行机构和运算放大器。
3.根据权利要求2所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述的执行机构为 DAC0832芯片，和所述的运算放大器为tle2602芯片。
4.根据权利要求I或2所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述的电压反馈环由有效值采样芯片AD536和MC9S单片机内部AD模块构成。
5.根据权利要求I或2所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述的单片机产生三路峰值为O 5V单极性的方波。
6.根据权利要求4所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述减法器将单极性的方波转为峰值为-2. 5V +2. 5V的双极性的方波。
7.根据权利要求I或2所述的小信号模拟三相交流电网控制器，四阶巴特沃斯有源低通滤波器的截止频率为60Hz。
8.根据权利要求I或2所述的小信号模拟三相交流电网控制器，所述同相放大器放大后的幅值为7V以上。
9.根据权利要求2或3所述的小信号模拟三相交流电网控制器，程控放大器包括由数字量MSB-LSB控制的电阻网络，其三个管脚Ioutl、Iout2和Rf输出分别连接运算放大器的反相、正相输入端和输出端；并符合如下关系Uout =-^Uref (O < DI <255)式中，DI表示单片机给出的数字量，UMf表示在参考输入端输入的正弦波幅值，Utjut表示输出端输出的正弦波幅值。
10.一种模拟三相交流电网的方法，其特征在于，使用权利要求I 9任一项所述的控制器产生小信号三相交流电，小信号三相交流电经过缺相故障选择继电器，输出的三相给负载；在每相线下面分别接模拟接地故障和短路故障的继电器的公共端，三个模拟接地故障的继电器的动合触点接地，三个模拟短路故障的继电器的动合触点全部连在一起；并进行如下判断(1)当ABC三相中哪相发生缺相故障时，该相所在模拟故障继电器公共端与动触点断开；(2)当ABC三相中哪相发生接地故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合；(3)当ABC三相中哪两相或三相发生短路故障时，该相所在模拟故障继电器的公共端与动触点闭合。
全文摘要
本发明公开了一种小信号模拟三相交流电网控制器，其包括顺序连接的电压反馈环、减法器、四阶巴特沃斯有源低通滤波器、RC滤波调理电路、同相放大器、程序放大器、隔直电容器、和电压跟随器；所述的电压反馈环包括有效值采样芯片和单片机；所述的单片机用于产生单极性的方波；所述减法器用于将单极性的方波转为双极性的方波；所述同相放大器用于将依次通过四阶巴特沃斯有源低通滤波器和RC滤波调理电路产生的正弦波的幅值放大，作为程控放大器的参考输入端；所述程控放大器用于控制同相放大器产生的正弦波的幅值。本发明解决了在AC-DC整流器实验调试过程中直接上三相强电带来的危险性和不便利性，并且可调节性好，实现对多种状态的模拟。
文档编号H02H7/26GK102611387SQ20121005911
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者于勤录, 冯韬, 吴健, 尚美静, 徐国金 申请人:北京优科利尔能源设备有限公司