一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置的制作方法

本实用新型涉及微电子技术领域，尤其涉及一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置。

背景技术：

电能质量综合治理装置是用于低压配电用户侧，治理三相电流不平衡,无功补偿及谐波治理的综合电能质量治理装置。

目前，市面上现有的无功补偿、不平衡调节和电能质量综合治理方案绝大部分采用ti芯片+altera或者xilinx的fpga/cpld芯片的结合方案，ti芯片实现算法模块的控制，altera或者xilinx的fpga/cpld芯片实现pwm调制。

然而，为了实现复杂的功能，某些场合需要多颗ti芯片+altera或者xilinx的fpga/cpld的架构。其次，ti芯片+altera或者xilinx的fpga/cpld架构整个方案的设计都是需要用户自主开发所有的代码，工作难度大。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种面积小，功能强大，可以实现无功补偿、不平衡调节及谐波治理的电能质量综合治理装置。

为了实现上述的主要目的，本实用新型提供的一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置，其包括用于输出pwm脉冲信号的txf5002芯片、开关管功率电路、开关驱动电路、滤波电路，所述txf5002芯片的gpio管脚通过所述开关驱动电路与所述开关管功率电路连接，所述txf5002芯片用于将各相电流电压模拟信号进行采样，形成pwm脉冲信号通过所述开关驱动电路被耦合以控制所述开关管功率电路的功率开关的切换，并经过所述滤波电路滤波后将得到的电流注入电网；所述开关管功率电路包括第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元，所述第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的电源端连接至直流电源两端，所述第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的输出端连接至所述滤波电路。

进一步的方案中，所述开关管功率电路还包括串联连接在所述直流电源之间的两个分压电容，用于对所述直流电源进行分压，两个所述分压电容的连接点为所述直流电源的分压中点，两个所述分压电容的连接点与所述第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的分压中点连接。

更进一步的方案中，所述滤波电路包括相互连接的滤波电感、滤波电容，所述滤波电感包括电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5和电感l6，所述滤波电容包括电容c1、电容c2、电容c3，电容c1、电容c2、电容c3的非公共端分别连接至电感l1的第一端和电感l4的第二端之间、电感l2的第一端和电感l5的第二端之间、电感l3的第一端和电感l6的第二端之间，电感l1、电感l2、电感l3的第一端分别连接至所述第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的输出端，电感l4、电感l5和电感l6的第一端分别与电网连接。

更进一步的方案中，所述第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元均为1字型拓扑单元。

更进一步的方案中，所述第一拓扑单元均包括开关器件t1、开关器件t2、开关器件t3、开关器件t4、钳位二极管d1和钳位二极管d2，开关器件t1的第一端连接所述直流电源的正端，开关器件t4的第二端连接所述直流电源的负端，开关器件t1的第二端经由二极管d1连接所述直流电源的分压中点，开关器件t3的第二端经由二极管d2连接所述直流电源的分压中点，开关器件t2第二端和开关器件t3的第一端相连并作为所述第一拓扑单元输出端。

更进一步的方案中，所述第二拓扑单元均包括开关器件t11、开关器件t12、开关器件t13、开关器件t14、钳位二极管d11和钳位二极管d12，开关器件t11的第一端连接所述直流电源的正端，开关器件t14的第二端连接所述直流电源的负端，开关器件t11的第二端经由二极管d11连接所述直流电源的分压中点，开关器件t13的第二端经由二极管d12连接所述直流电源的分压中点，开关器件t12第二端和开关器件t13的第一端相连并作为所述第二拓扑单元输出端。

更进一步的方案中，所述第三拓扑单元均包括开关器件t21、开关器件t22、开关器件t23、开关器件t24、钳位二极管d21和钳位二极管d22，开关器件t21的第一端连接所述直流电源的正端，开关器件t24的第二端连接所述直流电源的负端，开关器件t21的第二端经由二极管d21连接所述直流电源的分压中点，开关器件t23的第二端经由二极管d22连接所述直流电源的分压中点，开关器件t22第二端和开关器件t23的第一端相连并作为所述第三拓扑单元输出端。

更进一步的方案中，每个开关器件均包括：开关管和与所述开关管反并联的二极管，所述二极管为独立二极管或所述开关管内部自带的反并联二极管。

更进一步的方案中，所述txf5002芯片内置采样电路、中央处理电路及脉冲处理电路，所述采样电路与所述中央处理电路连接，所述中央处理电路与所述脉冲处理电路连接。

更进一步的方案中，所述综合治理装置还包括一用于分别对电网的三相电流信号、三相电压信号、外部ct电流信号、直流电压信号进行模拟滤波、电压信号幅值调理以输出至所述txf5002芯片的信号调理电路。

由此可见，本实用新型利用txf5002芯片作为唯一的处理器，对负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流在每个采样周期进行精确的采集、计算和闭环控制，可以达到精准的补偿目的。

txf5002芯片具有保证精确计算和控制的fft、dft、fri和iir等专用的电力电子计算模块，保证装置计算和控制所必需的快速和精确的要求，能够达到优秀的无功补偿、不平衡调节及谐波治理电能质量治理效果，能够替代多颗芯片，实现同样的功能，架构独特，使用简单。

另外，本实用新型的三相四线制三电平拓扑结构可以在保持器件数目最少的同时，降低部分开关管的电压应力，从而可以选用小功率半导体开关管，减小损耗，提高转换效率。

附图说明

图1是本实用新型一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置实施例的电路原理图。

图2是本实用新型一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置实施例中开关管功率电路和滤波电路的电路原理图。

图3是本实用新型一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置实施例中txf5002芯片的电路原理图。

图4是本实用新型一种基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置实施例中开关驱动电路的电路原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1与图2，本实用新型的基于微处理器芯片的电能质量综合治理装置包括用于输出pwm脉冲信号的txf5002芯片10、开关管功率电路、开关驱动电路20、滤波电路，txf5002芯片10的gpio管脚通过开关驱动电路20与开关管功率电路连接，txf5002芯片10用于将各相电流电压模拟信号进行采样，形成pwm脉冲信号通过开关驱动电路20被耦合以控制开关管功率电路的功率开关的切换，并经过滤波电路滤波后将得到的电流注入电网。

在本实施例中，开关管功率电路包括第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元，第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的电源端连接至直流电源两端，第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的输出端连接至滤波电路。

在本实施例中，开关管功率电路还包括串联连接在直流电源之间的两个分压电容，如电容c1和电容c2，用于对直流电源进行分压，两个分压电容的连接点为直流电源的分压中点n，两个分压电容的连接点与第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的分压中点n连接。

在本实施例中，滤波电路包括相互连接的滤波电感、滤波电容，滤波电感包括电感l1、电感l2、电感l3、电感l4、电感l5和电感l6，滤波电容包括电容c1、电容c2、电容c3，电容c1、电容c2、电容c3的非公共端分别连接至电感l1的第一端和电感l4的第二端之间、电感l2的第一端和电感l5的第二端之间、电感l3的第一端和电感l6的第二端之间，电感l1、电感l2、电感l3的第一端分别连接至第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元的输出端，电感l4、电感l5和电感l6的第一端分别与电网连接。

在本实施例中，第一拓扑单元、第二拓扑单元、第三拓扑单元均为1字型拓扑单元。

具体地，第一拓扑单元均包括开关器件t1、开关器件t2、开关器件t3、开关器件t4、钳位二极管d1和钳位二极管d2，开关器件t1的第一端连接直流电源的正端，开关器件t4的第二端连接直流电源的负端，开关器件t1的第二端经由二极管d1连接直流电源的分压中点n，开关器件t3的第二端经由二极管d2连接直流电源的分压中点n，开关器件t2第二端和开关器件t3的第一端相连并作为第一拓扑单元输出端。

第二拓扑单元均包括开关器件t11、开关器件t12、开关器件t13、开关器件t14、钳位二极管d11和钳位二极管d12，开关器件t11的第一端连接直流电源的正端，开关器件t14的第二端连接直流电源的负端，开关器件t11的第二端经由二极管d11连接直流电源的分压中点n，开关器件t13的第二端经由二极管d12连接直流电源的分压中点n，开关器件t12第二端和开关器件t13的第一端相连并作为第二拓扑单元输出端。

第三拓扑单元均包括开关器件t21、开关器件t22、开关器件t23、开关器件t24、钳位二极管d21和钳位二极管d22，开关器件t21的第一端连接直流电源的正端，开关器件t24的第二端连接直流电源的负端，开关器件t21的第二端经由二极管d21连接直流电源的分压中点n，开关器件t23的第二端经由二极管d22连接直流电源的分压中点n，开关器件t22第二端和开关器件t23的第一端相连并作为第三拓扑单元输出端。

其中，每个开关器件均包括：开关管和与开关管反并联的二极管，二极管为独立二极管或开关管内部自带的反并联二极管。

参见图3，开关驱动电路20包括pwm脉冲信号输入端、电阻r21、电容c23、电阻r3、二极管d4、二极管d7、电阻r2、光耦u1、电容c2、电容c3、电容c5、电容c6、二极管d2、电阻r5、电阻r6、三级管q1、三级管q2、电阻r1、二极管d5、二极管d1、电容c1以及驱动输出端。

在本实施例中，txf5002芯片10内置采样电路、中央处理电路及脉冲处理电路，采样电路与中央处理电路连接，中央处理电路与脉冲处理电路连接。

在本实施例中，综合治理装置还包括一用于分别对电网的三相电流信号、三相电压信号、外部ct电流信号、直流电压信号进行模拟滤波、电压信号幅值调理以输出至txf5002芯片10的信号调理电路5。首先配合信号调理电路5对配电网三相电流进行检测得到其采样值，形成pwm脉冲并通过光电隔离驱动功率开关管，在经过滤波电路滤波之后将计算得到电流注入电网，同时实现无功补偿、不平衡调节及谐波治理的电能质量治理的功能。

具体地，如图4所示，txf5002芯片10包括第一处理单元、第二处理单元以及第三处理单元，第一处理单元包括第一模数转换器11、dft模块12、atan函数模块13、正余弦模块14，第一模数转换器11的输入端接入第一输入信号，第一模数转换器11的输出端与dft模块12的输入端连接，dft模块12的输出端与atan函数模块13的输入端连接，atan函数模块13的输出端与正余弦模块14的输入端连接，正余弦模块14的输出端分别输出正弦信号和余弦信号。

在本实施例中，第二处理单元包括第二模数转换器21、第一matrix矩阵模块22、fft模块23、hcc模块24、第二matrix矩阵模块25，第二模数转换器21接入第二输入信号，第二模数转换器21的输出端与第一matrix矩阵模块22的输入端连接，第一matrix矩阵模块22的输出端与fft模块23的输入端连接，fft模块23的输出端与hcc模块24的输入端连接，hcc模块24的输出端与第二matrix矩阵模块25的输入端连接，第一matrix矩阵模块22、第二matrix矩阵模块25接收正余弦值，第二matrix矩阵模块25的输出端输出期望值。

在本实施例中，第三处理单元包括第三模数转换器31、控制器模块32、脉宽调制模块33，第三模数转换器31的输入端接入第三输入信号，第三模数转换器31的输出端与控制器模块32的输入端连接，控制器模块32的输入端接收经过模数转换的第三输入信号的实际值与期望值的误差值，控制器模块32的输出端与脉宽调制模块33的输入端连接，脉宽调制模块33的输出端与gpio接口连接。其中，控制器模块32为iir/pr/pid控制器。

具体地，本实用新型的芯片包括集成于该芯片的模数转换器、matrix自定义矩阵、dft、atan、sincos、fft、iir扩展模块、pwm等模块。其中，模数转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，供芯片处理器识别，算法模块，主要是将数字信号进行分量提取、转换、最后经pwm模块转换为脉冲信号输出，该实施方式集成度高、适应范围广且可靠性高，适用于需要进行正负序有功、无功、谐波提取、显示、控制的电力设备。

由此可见，本实用新型通过芯片内置dft、atan、正余弦模块实现角度跟踪锁相sin_ux和cos_ux，然后，通过芯片内置fft、hcc实现频谱分离得到期望值，最后再通过芯片内置扩展iir控制器和pwm模块实现补偿控制和脉宽调制，将pwm脉冲经过gpio输出芯片外部驱动功开关管功率电路动作，从而再次形成输入信号进入gpio，经adc模数转换，再次迭代分析、计算、控制，不断重复，使得实际值不断接近期望值。

因此，本实用新型利用txf5002芯片10作为唯一的处理器，对负载的谐波电流、无功电流和不平衡电流在每个采样周期进行精确的采集、计算和闭环控制，可以达到精准的补偿目的。

txf5002芯片10具有保证精确计算和控制的fft、dft、fri和iir等专用的电力电子计算模块，保证装置计算和控制所必需的快速和精确的要求，能够达到优秀的无功补偿、不平衡调节及谐波治理电能质量治理效果，能够替代多颗芯片，实现同样的功能，架构独特，使用简单。

另外，本实用新型的三相四线制三电平拓扑结构可以在保持器件数目最少的同时，降低部分开关管的电压应力，从而可以选用小功率半导体开关管，减小损耗，提高转换效率。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。