倍频采样相敏解调器及其应用

2010-06-23毕秀梅

电气技术 2010年4期

毕秀梅

（辽宁机电职业技术学院，辽宁丹东 118000）

1 引言

为了提高供电系统的功率因数，各种不同形式的补偿措施得到了广泛应用。设计一个快速的相敏解调器作为执行元件的检测与控制机构，是实现补偿系统快速响应的关键问题之一。本文介绍的倍频采样相敏解调器与单片机相配合，提高了控制速度和控制精度，在电调电抗器无功补偿装置中应用取得了良好的效果。

2 倍频采样相敏解调器的组成与工作原理

倍频采样相敏解调器由全波相敏整流器、采样保持脉冲形成器和采样保持器组成。

2.1 全波相敏整流器

全波相敏整流器电路如图1所示。

它的主体为运算放大器IC1和场效应晶体管V。运算放大器 IC2作为整形器，为场效应管提供开关电压。当V栅极电压为正且大于夹断电压Up时，V导通，IC1的同相输入端通过V接地，IC1工作在反相器状态。设输入交流信号为 ui，则其输出电压uo=-R3ui/R1。若取R3＝R1，则uo=ui；当栅极电压负于夹断电压Up时，V截止，IC1作为同相器工作。此时，IC1的输出由两部分组成：由反相器输入信号产生的输出为uo1=-u1R3/R1；由同相输入端信号产生的输出为 uo2=(1+R3/R7)u1，则在 V截止期间，IC1的输出电压为uo=uo1+uo2=u1。这样，IC1在某半周期工作为反相器，而在另半个周期则工作为同相器，因而实现了全波相敏解调的功能，其输入、输出波形如图2所示。

图1 倍频采样解调器

2.2 采样脉冲形成器

采样脉冲形成器主要由运算放大器IC3，电压比较器 IC4、IC5和或非门 IC6组成。IC3、R11和电容C1组成移相器，对交流基准信号 uref移相 270o。比较器IC5用于对IC3的输出信号进行整形。IC5输出的信号分别经由电容器 C3、电阻 R15、稳压二极管VS2和反相比较器IC4、电容器C2、电阻R14、稳压二极管VS1组成的微分削波器，将输出信号加到或非门IC6的输入端，形成90o、270o瞬时采样脉冲。采样脉冲的波形如图3所示。

图2 全波相敏解调器的波形

图3 采样/保持控制脉冲形成器的波形图

2.3 采样保持器

采用单片集成 S/H，它的信号输入端接至 IC1的输出uo，逻辑输入端接收或非门输出的uS/H信号。当 uS/H为高电平时，S/H工作在保持状态；当 uS/H为低电平时，S/H工作在采样状态。当交流参考信号uref(uin)的相位为90o与270o的瞬间，采样控制脉冲uS/H为低电平，这时S/H对IC1输出信号uo进行采样，采得交流有用信号的最大值。而在偏离90o、270o点的时间内，采样脉冲 uS/H为高电平，S/H保持已采得的交流有用信号的最大值。因而交流有用信号得到最大的输出，而输入的交流正交信号在采样的瞬间，其幅值恰好为零。所以，采样保持器的输出uo中不包含正交信号的无用成分。S/H的输出反映了交流有用信号幅值的大小及有用信号u1与参考信号 uref同相或反相的关系，而正交信号的输出为零。这种峰值采样原理构成的解调器，效率高，信噪比高，无惯性，采样频率为参考信号 uref频率的两倍，时间滞后极小。

3 倍频采样解调器的应用

图4是倍频采样解调器在电调电抗器控制电路中的应用框图。

图4 倍频采样相敏解调器应用电路框图

图中电调电抗器是一种新型的用于供电系统功率因数补偿的专用设备。它与传统电抗器的区别在于增加了控制绕组，依靠通入控制绕组直流电流的大小来调整电抗器的电抗值，因而可以实现电抗值的连续调节。在实际应用电路中，为了消除供电网络带来的谐波,提高全波相敏解调器的工作质量,需要在图 1的 iIN输入端接入如图 6所示的低通滤波器。ui端接由电流互感器输入的电流信号，uref端接由电压互感器输入的电压信号。单片机将解调器的输出信号Uo与给定值进行自动比较，并将比较结果输出给控制电路（PWM）电路，依据PWM电路的自动调整，控制电调电抗器的电抗值，使供电系统的功率因数保持在设定的数值上。

图5是控制电路与主电路的连接示意图。图中C是用于补偿的电力电容器。TK是电调电抗器。控制电路的作用是由倍频采样相敏解调器将网络功率因数的变化量采集下来，经单片机进行数字处理后，调整PWM电路的输出电流，用以改变电抗器控制绕组的直流电流，并改变电抗器的电抗值，以此来调整电容器电流，达到自动调整系统功率因数的目的。