倍頻采樣相敏解調(diào)器及其應(yīng)用

畢秀梅

（遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東 118000）

1 引言

為了提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，各種不同形式的補(bǔ)償措施得到了廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)一個(gè)快速的相敏解調(diào)器作為執(zhí)行元件的檢測(cè)與控制機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)快速響應(yīng)的關(guān)鍵問題之一。本文介紹的倍頻采樣相敏解調(diào)器與單片機(jī)相配合，提高了控制速度和控制精度，在電調(diào)電抗器無功補(bǔ)償裝置中應(yīng)用取得了良好的效果。

2 倍頻采樣相敏解調(diào)器的組成與工作原理

倍頻采樣相敏解調(diào)器由全波相敏整流器、采樣保持脈沖形成器和采樣保持器組成。

2.1 全波相敏整流器

全波相敏整流器電路如圖1所示。

它的主體為運(yùn)算放大器IC1和場(chǎng)效應(yīng)晶體管V。運(yùn)算放大器 IC2作為整形器，為場(chǎng)效應(yīng)管提供開關(guān)電壓。當(dāng)V柵極電壓為正且大于夾斷電壓Up時(shí)，V導(dǎo)通，IC1的同相輸入端通過V接地，IC1工作在反相器狀態(tài)。設(shè)輸入交流信號(hào)為 ui，則其輸出電壓uo=-R3ui/R1。若取R3＝R1，則uo=ui；當(dāng)柵極電壓負(fù)于夾斷電壓Up時(shí)，V截止，IC1作為同相器工作。此時(shí)，IC1的輸出由兩部分組成：由反相器輸入信號(hào)產(chǎn)生的輸出為uo1=-u1R3/R1；由同相輸入端信號(hào)產(chǎn)生的輸出為 uo2=(1+R3/R7)u1，則在 V截止期間，IC1的輸出電壓為uo=uo1+uo2=u1。這樣，IC1在某半周期工作為反相器，而在另半個(gè)周期則工作為同相器，因而實(shí)現(xiàn)了全波相敏解調(diào)的功能，其輸入、輸出波形如圖2所示。

圖1 倍頻采樣解調(diào)器

2.2 采樣脈沖形成器

采樣脈沖形成器主要由運(yùn)算放大器IC3，電壓比較器 IC4、IC5和或非門 IC6組成。IC3、R11和電容C1組成移相器，對(duì)交流基準(zhǔn)信號(hào) uref移相 270o。比較器IC5用于對(duì)IC3的輸出信號(hào)進(jìn)行整形。IC5輸出的信號(hào)分別經(jīng)由電容器 C3、電阻 R15、穩(wěn)壓二極管VS2和反相比較器IC4、電容器C2、電阻R14、穩(wěn)壓二極管VS1組成的微分削波器，將輸出信號(hào)加到或非門IC6的輸入端，形成90o、270o瞬時(shí)采樣脈沖。采樣脈沖的波形如圖3所示。

圖2 全波相敏解調(diào)器的波形

圖3 采樣/保持控制脈沖形成器的波形圖

2.3 采樣保持器

采用單片集成 S/H，它的信號(hào)輸入端接至 IC1的輸出uo，邏輯輸入端接收或非門輸出的uS/H信號(hào)。當(dāng) uS/H為高電平時(shí)，S/H工作在保持狀態(tài)；當(dāng) uS/H為低電平時(shí)，S/H工作在采樣狀態(tài)。當(dāng)交流參考信號(hào)uref(uin)的相位為90o與270o的瞬間，采樣控制脈沖uS/H為低電平，這時(shí)S/H對(duì)IC1輸出信號(hào)uo進(jìn)行采樣，采得交流有用信號(hào)的最大值。而在偏離90o、270o點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，采樣脈沖 uS/H為高電平，S/H保持已采得的交流有用信號(hào)的最大值。因而交流有用信號(hào)得到最大的輸出，而輸入的交流正交信號(hào)在采樣的瞬間，其幅值恰好為零。所以，采樣保持器的輸出uo中不包含正交信號(hào)的無用成分。S/H的輸出反映了交流有用信號(hào)幅值的大小及有用信號(hào)u1與參考信號(hào) uref同相或反相的關(guān)系，而正交信號(hào)的輸出為零。這種峰值采樣原理構(gòu)成的解調(diào)器，效率高，信噪比高，無慣性，采樣頻率為參考信號(hào) uref頻率的兩倍，時(shí)間滯后極小。

3 倍頻采樣解調(diào)器的應(yīng)用

圖4是倍頻采樣解調(diào)器在電調(diào)電抗器控制電路中的應(yīng)用框圖。

圖4 倍頻采樣相敏解調(diào)器應(yīng)用電路框圖

圖中電調(diào)電抗器是一種新型的用于供電系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)膶Ｓ迷O(shè)備。它與傳統(tǒng)電抗器的區(qū)別在于增加了控制繞組，依靠通入控制繞組直流電流的大小來調(diào)整電抗器的電抗值，因而可以實(shí)現(xiàn)電抗值的連續(xù)調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用電路中，為了消除供電網(wǎng)絡(luò)帶來的諧波,提高全波相敏解調(diào)器的工作質(zhì)量,需要在圖 1的 iIN輸入端接入如圖 6所示的低通濾波器。ui端接由電流互感器輸入的電流信號(hào)，uref端接由電壓互感器輸入的電壓信號(hào)。單片機(jī)將解調(diào)器的輸出信號(hào)Uo與給定值進(jìn)行自動(dòng)比較，并將比較結(jié)果輸出給控制電路（PWM）電路，依據(jù)PWM電路的自動(dòng)調(diào)整，控制電調(diào)電抗器的電抗值，使供電系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定的數(shù)值上。

圖5是控制電路與主電路的連接示意圖。 圖中C是用于補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜?。TK是電調(diào)電抗器?？刂齐娐返淖饔檬怯杀额l采樣相敏解調(diào)器將網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)的變化量采集下來，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理后，調(diào)整PWM電路的輸出電流，用以改變電抗器控制繞組的直流電流，并改變電抗器的電抗值，以此來調(diào)整電容器電流，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)功率因數(shù)的目的。

圖5 控制電路與主電路的連接示意圖

圖6 低通濾波器

4 結(jié)論

利用上述控制電路，控制180kVar電調(diào)電抗器，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，使功率因數(shù)由0.6～0.95范圍內(nèi)瞬時(shí)變化時(shí)，響應(yīng)時(shí)間不大于0.06s，功率因數(shù)可以穩(wěn)定在0.95，補(bǔ)償效果十分明顯。

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