专利名称：多功能谐波功率电源的制作方法
技术领域：
一种适用于发电厂、供用电管理和电力建设等部门校验各种电气计量设备在有谐波状态下工作情况的源表一体化谐波功率电源，属电测量领域。目前，电力系统有关部门在现场检测电能表、变送器和互感器的计量精度时，一般均使用标准正弦波作为被测仪表的电源。但是由于上述设备往往工作在有谐波的状态下，在实际应用中需要一种能够模拟电力系统中谐波的功率电源，用于电能表、变送器和互感器等电气计量设备在非正弦波工作状态下计量误差的检测。
本实用新型的目的在于利用数字信号处理器(DSP)作为数据发生和数据采集控制系统，通过人机交互界面实现任意谐波的产生和控制。
本实用新型由人机界面(1)、反馈控制器(2)、信号发生器(3)、功率放大电路(4)、采样反馈电路(5)、控制总线(6)和数据总线(7)构成，总体结构如
图1。人机界面(1)将用户给定的谐波组成和幅值、相位信息输出至数据总线(7)；反馈控制器(2)从数据总线(7)输入给定谐波信息和反馈谐波信息，将比较运算得出的谐波信号串行数据及同步基准信号通过硬接线输出到信号发生器(3)，将锁相信号通过硬接线输出到采样反馈电路(5)，并向控制总线(6)输出控制数据；信号发生器(3)在同步基准和串行数据的控制下输出三相谐波电压电流信号DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc到功率放大电路(4)；功率放大电路(4)在来自控制总线(6)的控制信号作用下输出被受控放大的三相谐波电压电流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic；该输出连接到反馈电路(5)的输入端，反馈电路(5)在来自控制总线(6)的控制信号和来自信号发生器(3)的锁相信号作用下输出三相谐波电压电流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic的数字信号到数据总线(7)。
反馈控制器(2)如图2所示，由双口存储器(8)、主控制器(9)、程序存储器(10)、静态数据存储器(11)、同步时基发生器(12)和采样锁相电路(13)组成。双口存储器(8)自数据总线输入给定的谐波数据，主控制器(9)自数据总线(7)输入双口存储器(8)存储的给定谐波数据和来自采样反馈电路(5)的实际谐波数据，向控制总线(6)输出控制指令，通过硬接线输出波形参数串行数据至信号发生器(3)，同步时基发生器(12)在来自控制总线(6)的控制指令作用下输出同步基准至信号发生器(3)，采样锁相电路(13)在来自控制总线(6)的控制指令作用下输出锁相信号至采样反馈电路(5)。
信号发生器(3)如图3所示，由数字信号处理器(14)、A相电压信号串行数/模转换器(15)、A相电流信号串行数/模转换器(16)、B相电压信号串行数/模转换器(17)、B相电流信号串行数/模转换器(18)、C相电压信号串行数/模转换器(19)、C相电流信号串行数/模转换器(20)、A相电压信号并行数/模转换器(21)、A相电流信号并行数/模转换器(22)、B相电压信号并行数/模转换器(23)、B相电流信号并行数膜转换器(24)、C相电压信号并行数/模转换器(25)、C相电流信号并行数/模转换器(26)、A相电压信号数据锁存器(27)、A相电流信号数据锁存器(28)、B相电压信号数据锁存器(29)、B相电流信号数据锁存器(30)、C相电压信号数据锁存器(31)、C相电流信号数据锁存器(32)及信号发生器(3)专用的控制总线(33)和数据总线(34)组成。DSP数字信号处理器(14)输入反馈控制器(2)输出的包含有用户设定的各相电压电流信号的幅值和相位信息的串行数据，通过硬接线输出6路串行幅值数据到对应的三相电压电流信号串行数/模转换器(15)～(20)的输入端，输出并行波形数据到数据总线(34)，并输出控制信号至控制总线(33)；串行数/模转换器(15)～(20)分别输出6路电压模拟信号到对应的三相电压电流信号并行数/模转换器(21)～(26)的参考电压输入端；三相电压电流信号数据锁存器(27)～(32)在来自控制总线(33)的控制信号的作用下，从数据总线(34)输入和存储并行波形数据，并输出到对应的三相电压电流信号并行数/模转换器(21)～(26)的输入端；来自反馈控制器(2)的同步基准信号通过硬接线加在并行数/模转换器(21)～(26)的同步信号输入端，并行数/模转换器(21)～(26)输出三相电压电流模拟量信号DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc。
功率放大电路(4)如图4所示，由电压前置放大滤波电路(35)、电流前置放大滤波电路(36)、电压功率放大器(37)、电流功率放大器(38)、升压器(39)和升流器(40)组成。由信号发生器(3)产生的三相谐波电压信号DIa、DVb、DVc和三相谐波电流信号DIa、DIb、DIc分别经由电压前置放大滤波电路(35)和电流前置放大滤波电路(36)放大和低通滤波后，其输出电压FVa、FVb、FVc和输出电流FIa、FIb、FIc分别加到电压功率放大器(37)和电流功率放大器(38)的输入端，经过电压电流功率放大后的输出电压AVa、AVb、AVc和输出电流AIa、AIb、AIc分别经升压器(39)和升流器(40)在来自控制总线(6)的控制信号作用下提升为设定的大电压输出Va、Vb,、Vc和大电流输出Ia、Ib、Ic。
采样反馈电路(5)如图5所示，由高精度电压电流互感器(41)和多路模/数转换器(42)组成。功率放大电路(4)产生的三相谐波电压电流Va,Vb,Vc,Ia,Ib,Ic连接到高精度电压电流互感器(41)的信号输入端，其控制输入端与控制总线(6)相连，在来自反馈控制器(2)的控制信号作用下，高精度互感器(41)输出小电压电流信号PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/数转换器(42)的输入端，来自反馈控制器(2)的锁相信号通过硬接线连接到多路模/数转换器(42)的锁相输入端，其控制输入端与控制总线(6)相连，多路模/数转换器(42)输出三相谐波电压电流数字信号至数据总线(7)。
本实用新型在信号发生部分采用了两级数/模转换，一级低精度、高速率并行数/模转换保证波形输出的速度，另一级高精度、低速率串行数/模转换保证波形输出的幅值精度。并可以调整高精度数/模转换器的数据输入，实现波形突变功能。由于在反馈控制部分采用数字信号处理器DSP，提高了FFT的运算速度，并经优化的PID模型，大大提高了控制的鲁棒性及谐波源输出的精度，缩短了输出稳定时间。本实用新型采用了模块化的结构设计，将电压、电流的A、B、C三相电路完全分开，为设计、调试以及用户使用提供了方便。
图1是本实用新型的一个实施例。图2是图1中反馈控制器(2)的展开原理图，图3是图1中信号发生器(3)的展开原理图。图4是图1中功率放大电路(4)的展开原理图。图5是图1中采样反馈电路(5)的展开原理图。
在图1中，人机界面(1)由键盘、液晶显示器和CPU控制电路80196组成。通过键盘输入谐波的组成、幅值和相位等信息，经控制电路80196处理后发送到反馈控制器(2)，控制电路80196同时将来自采样反馈电路(5)经数据总线(7)传输的输出谐波信息送显示器显示。反馈控制器(2)中的主控制器(9)采用数字信号处理电路ADSP2181，向信号发生器(3)传递用户设定信息并完成反馈控制，并控制同步时基发生器芯片AD9831(图2中的(12))根据谐波的基波频率产生同步基准脉冲信号，同步信号频率=基波频率×3600，以实现基波相位0.1度可调。信号发生器(3)中的数字信号处理器(14)采用数字信号处理电路ADSP2181。反馈控制器(2)将谐波的幅值、相位等信息通过其主控制器(9)数字信号处理电路ADSP2181的串口发送到信号发生器(3)中的数字信号处理电路ADSP2181(图2中的(14))的串口，启动采样锁相电路芯片8254和68B40(图2中的(13))输出锁相信号至采样反馈电路(5)。信号发生器(3)中的数字信号处理器(14)将串行的幅值信息分别送到6个串行数/模转换电路MAX542(图3中的(15)～(20))的输入端，其输出模拟电压作为6个并行数/模转换电路AD7574(图3中的(21)～(26))的参考电压。三相电压电流谐波的波形及相位信息经数字信号处理电路(14)转换为并行数据经数据总线(34)送至6个数据锁存器74LS573(图3中的(27)～(32))锁存，锁存的数据经6个并行数/模转换电路AD7574(图3中的(21)～(26))转换为三相谐波电压电流模拟信号DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc输出至功率放大电路(4)。在功率放大电路(图4)中，三相电压模拟信号DVa、DVb、DVc经前置放大电路LM3875和LC低通滤波(35)、电压功率放大器(37)，再经可控升压器(39)产生本谐波源的三相电压输出Va、Vb、Vc；三相电流模拟信号DIa、DIb、DIc经前置放大电路LM3875和LC低通滤波(36)、电流功率放大器(38)，再经可控升流器(40)产生本谐波源的三相电流输出Ia、Ib、Ic。升压升流后的输出经采样反馈电路(5)中的电压电流互感器(41)转换为小电压电流PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/数转换器(42)的输入端，来自反馈控制器(2)的锁相信号通过硬接线连接到多路模/数转换器(42)的锁相输入端，其控制输入端与控制总线(6)相连，多路模/数转换器(42)输出三相谐波电压电流数字信号经数据总线(7)至反馈控制器(2)中的主控制器(9)数字信号处理电路ADSP2181，经FFT运算得到实际输出电压电流的谐波成分，与给定的三相谐波电压电流数字信号比较和PID数学模型运算后，重新生成电压、电流的幅值、相位等信息，通过其串口发送到信号发生器(3)。
整个装置具有一块80196CPU板，一块DSP采样控制板，三块信号发生板，一块功率放大板，并将升压器、升流器、继电器等集中在机箱内部。面板上装有键盘、液晶显示器和三相电压、电流输出接口，结构紧凑，使用方便。
权利要求1．一种多功能谐波功率电源，由人机界面(1)、反馈控制器(2)、信号发生器(3)、功率放大电路(4)、采样反馈电路(5)、控制总线(6)和数据总线(7)构成；其特征为反馈控制器(2)从数据总线(7)输入给定谐波信息和反馈谐波信息，将比较运算得出的谐波信号串行数据及同步基准信号通过硬接线输出到信号发生器(3)，将锁相信号通过硬接线输出到采样反馈电路(5)，并向控制总线(6)输出控制数据；信号发生器(3)在同步基准和串行数据的控制下输出三相谐波电压电流信号DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc到功率放大电路(4)；功率放大电路(4)在来自控制总线(6)的控制信号作用下输出受控放大的三相谐波电压电流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic；该输出连接到反馈电路(5)的输入端，反馈电路(5)在来自控制总线(6)的控制信号和来自信号发生器(3)的锁相信号作用下输出三相谐波电压电流Va、Ia、Vb、Ib、Vc、Ic的数字信号到数据总线(7)。
2．如权利要求1所述的谐波功率电源，其特征为所述反馈控制器(2)由双口存储器(8)、主控制器(9)、程序存储器(10)、静态数据存储器(11)、同步时基发生器(12)和采样锁相电路(13)组成；双口存储器(8)自数据总线输入给定的谐波数据，主控制器(9)自数据总线(7)输入双口存储器(8)存储的给定谐波数据和来自采样反馈电路(5)的实际谐波数据，向控制总线(6)输出控制指令，通过硬接线输出波形参数串行数据至信号发生器(3)，同步时基发生器(12)在来自控制总线(6)的控制指令作用下输出同步基准至信号发生器(3)，采样锁相电路(13)在来自控制总线(6)的控制指令作用下输出锁相信号至采样反馈电路(5)。
3．如权利要求1所述的谐波功率电源，其特征为所述信号发生器(3)由数字信号处理器(14)、A相电压信号串行数/模转换器(15)、A相电流信号串行数/模转换器(16)、B相电压信号串行数/模转换器(17)、B相电流信号串行数/模转换器(18)、C相电压信号串行数/模转换器(19)、C相电流信号串行数/模转换器(20)、A相电压信号并行数/模转换器(21)、A相电流信号并行数/模转换器(22)、B相电压信号并行数/模转换器(23)、B相电流信号并行数/模转换器(24)、C相电压信号并行数/模转换器(25)、C相电流信号并行数/模转换器(26)、A相电压信号数据锁存器(27)、A相电流信号数据锁存器(28)、B相电压信号数据锁存器(29)、B相电流信号数据锁存器(30)、C相电压信号数据锁存器(31)、C相电流信号数据锁存器(32)及信号发生器(3)专用的控制总线(33)和数据总线(34)组成。数字信号处理器(14)输入反馈控制器(2)输出的包含有用户设定的各相电压电流信号的幅值和相位信息的串行数据，通过硬接线输出6路串行幅值数据到对应的三相电压电流信号串行数/模转换器(15)～(20)的输入端，输出并行波形数据到数据总线(34)，并输出控制信号至控制总线(33)；串行数/模转换器(15)～(20)分别输出6路电压模拟信号到对应的三相电压电流信号并行数/模转换器(21)～(26)的参考电压输入端；三相电压电流信号数据锁存器(27)～(32)在来自控制总线(33)的控制信号的作用下，从数据总线(34)输入和存储并行波形数据，并输出到对应的三相电压电流信号并行数/模转换器(21)～(26)的输入端；来自反馈控制器(2)的同步基准信号通过硬接线加在并行数/模转换器(21)～(26)的同步信号输入端，并行数/模转换器(21)～(26)输出三相电压电流模拟量信号DVa、DIa、DVb、DIb、DVc、DIc。
4．如权利要求1所述的谐波功率电源，其特征为所述功率放大电路(4)由电压前置放大滤波电路(35)、电流前置放大滤波电路(36)、电压功率放大器(37)、电流功率放大器(38)、升压器(39)和升流器(40)组成。由所述信号发生器(3)产生的三相谐波电压信号DIa、DVb、DVc和三相谐波电流信号DIa、DIb、DIc分别经由电压前置放大滤波电路(35)和电流前置放大滤波电路(36)放大和低通滤波后，其输出电压FVa、FVb、FVc和输出电流FIa、FIb、FIc分别加到电压功率放大器(37)和电流功率放大器(38)的输入端，经过电压电流功率放大后的输出电压AVa、AVb、AVc和输出电流AIa、AIb、AIc分别经升压器(39)和升流器(40)在来自控制总线(6)的控制信号作用下提升为设定的大电压输出Va、Vb，、Vc和大电流输出Ia、Ib、Ic。
5．如权利要求1所述的谐波功率电源，其特征为所述采样反馈电路(5)由高精度电压电流互感器(41)和多路模/数转换器(42)组成。功率放大电路(4)产生的三相谐波电压电流Va,Vb,Vc,Ia,Ib,Ic连接到高精度电压电流互感器(41)的信号输入端，其控制输入端与控制总线(6)相连，在来自反馈控制器(2)的控制信号作用下，高精度电压电流互感器(41)输出小电压电流信号PVa,PVb,PVc,PIa,PIb,PIc到多路模/数转换器(42)的输入端，来自反馈控制器(2)的锁相信号通过硬接线连接到多路模/数转换器(42)的锁相输入端，其控制输入端与控制总线(6)相连，多路模/数转换器(42)输出三相谐波电压电流数字信号至数据总线(7)。
专利摘要一种适用于发电厂、供用电管理和电力建设等部门校验各种电气计量设备在有谐波状态下工作情况的源表一体化谐波功率电源,利用数字信号处理器(DSP)作为数据发生和数据采集反馈控制系统,通过人机交互界面实现任意谐波的产生和高精度控制和显示,可以方便地用于电能表、变送器和互感器等电气计量设备在非正弦波工作状态下计量误差的检测。
文档编号G01R35/00GK2458635SQ0025381
公开日2001年11月7日 申请日期2000年10月16日 优先权日2000年10月16日
发明者高大智, 章社砥, 汪怀明 申请人:北京超科力源电力技术有限公司