一種工頻正弦平頂波功率電源的研究

在超高壓輸電線路中采用串補技術，利用串聯電容器的容抗補償輸電線路的部分感抗，可以大幅提升線路的輸電能力[1]。當串補線路發生故障時，金屬氧化物變阻器(MOV)—氧化鋅壓敏電阻動作并限制串補電容器兩端的電壓，以保護裝置的可靠運行?；鸹ㄩg隙是用于保護MOV和電容器組的關鍵設備，這就對火花間隙運行的可靠性提出了極高的要求。然而在實際運行中，火花間隙多次出現誤動情況，誤動原因至今還未明確。例如在2007年7月11日，串補工程東三Ⅲ線B相發生區外單相接地故障，B相間隙在地面控制保護未發出觸發命令的情況下放電；間隙的自放電電壓整定值為270 kV(瞬時值)，從故障錄波圖中得到線路發生故障時的電容器組兩端瞬時電壓波形圖，如圖1所示，最高值為210 kV，遠低于間隙自放電水平；故障期間火花間隙兩端的波形與工頻正弦平頂波[2]類似。

    火花間隙的這種自放電是否與過電壓波形相關以及相關程度需要通過試驗進行檢驗和驗證。為了開展火花間隙在工頻正弦平頂波電壓作用下的自放電特性研究，需要研制一臺能產生工頻正弦平頂波的大功率試驗電源。
1 方案論證
    本文的方案是采用微處理器和大功率運放芯片設計一種工頻正弦平頂波功率源，通過變壓器直接升壓的方式，實現產生火花間隙放電所需的高壓工頻正弦平頂波，具體電路如圖2所示。工頻正弦平頂波功率源是主電路的重要組成部分，對整套試驗電源的性能起著關鍵作用。2 系統實現

    本電源由信號發生器、功率放大、限流裝置和取樣反饋等部分組成。
    信號發生器采用AT89C52單片機實現總體控制，通過D/A轉換器產生峰值可調的工頻正弦平頂波，經過濾波隔離后，再由基于PA52設計的功率放大器進行電壓和功率的放大，并利用峰值檢測電路和A/D轉換器實現閉環控制。
2.1 信號發生器
    國內生產的信號發生器大部分利用分立元件及模擬集成電路構成，不僅體積大，而且可靠性和準確度很難進一步提高；只能產生規則波形，如方波、三角波和正弦波，無法滿足試驗要求[3]。本文采用基于單片機設計工頻正弦平頂波信號發生器，如圖3所示，其優點是具有很高的頻率穩定度和電壓精確度。

    整個系統設計結構分為控制電路和數據處理電路兩大部分?？刂齐娐芬訟T89C52單片機為核心，加上一些外圍電路組成，主要完成人機對話、數據接口、顯示信息以及控制數據處理電路工作等功能。數據處理電路主要包括波形輸出電路、幅值控制電路和濾波電路。

2.1.1 波形輸出電路
    D/A轉換的瞬間毛刺、非線性和數字噪聲已經成為影響輸出波形精度的主要因素。因此在選擇D/A轉換芯片時除了字長和轉換速度外，還應該考慮D/A的非線性和噪聲特性。在綜合各方面因素之后選擇了TI公司的DAC1230，它將單片機的波形數據轉化成對應的模擬信號，然后和兩級放大器配合[4-5]，輸出±8 V的正弦平頂波波形。
2.1.2 幅值控制電路
    利用DAC0832內部的電阻分壓網絡,將其作為數控電位器使用。DAC0832的參考電壓采用AD581芯片提供精密的10.00 V，其輸出電壓為：
    V=(N/256)×10 V                     (1)
其中N為單片機輸入的幅度控制字。
    輸出電壓為DAC1230提供參考電壓，從而實現波形的幅值調節。
2.1.3 濾波電路
    以離散數字序列經數模轉換為模擬信號為基礎，實現波形發生器有其固有的優點，但同時也有頻譜分量復雜、雜波多的缺點。在波形發生器中，濾波器起著保持有效分量、抑制雜波的作用。濾波器的設計主要從兩個方面加以考慮，一是低通濾波器本身的傳輸特性，二是系統輸出信號的頻譜結構。通過Matlab信號頻譜分析并結合實際測試效果，選擇截止頻率為500 Hz的一階無源低通濾波器，可以達到良好的濾波效果。
2.2 功率放大器
    DAC的輸出電壓和電流都比較低，不足以驅動變壓器進行升壓，因此要把電壓和電流進行放大，即功率放大。功率放大器可以由分立元件組成，也可由集成電路實現。由分立元件組成的功放電路復雜且不易調試，可靠性和功率放大性能都不理想。集成功放中的集成厚膜器件參數穩定、無需調整，信噪比較小，而且電路布局合理，外圍電路簡單，還可外加散熱片解決散熱問題。
    因此功率放大器的設計將采用APEX公司的集成功率放大芯片PA52，來提高裝置的可靠性和穩定性。PA52內部采用MOSFET管組成放大電路，具有低漂移、低噪聲及高轉換速率等特點；該芯片采用了共射共基放大電路結構，且混合集成電路基于氧化鈹襯底厚膜電路、陶瓷電容和半導體芯片構成，因而具有很高的可靠性、電絕緣性和高精度[6]。其最大轉換速率可達50 V/?滋s，最大峰值電流為80 A，最大內部功耗為400 W，最大輸出電壓峰-峰值為200 V。
    功率放大電路采用雙級放大結構，如圖4所示。電路中的功率放大芯片PA52的輸入失調電壓對電源系統的性能有很大的影響。輸入失調電壓是由運算放大器內部元件，尤其是輸入級的兩個晶體管特性不均衡引起的。PA52輸入失調電壓高達5 mV，為了實現電源的高精度，設置前置低壓誤差放大器OP07來獲得較小輸入偏置電壓，將輸入失調電壓降到75 μV以下。后置功率放大器PA52的目的是為了獲得大輸出功率特性。兩個放大環節串聯組成復合式負反饋放大電路，輸出電阻非常小，因此具有較強的帶負載能力。

    PA52功率放大芯片提供了獨立的輸入級供電電源引腳±Vb和輸出級供電電源引腳±Vs，輸入級供電電源可以比輸出級高，從而使得輸出電壓接近電源電壓，獲得更大的功率[7]。
    D1、D2和D5、D6是高速開關二極管，將運放輸入端限制在0.7 V，對運放起輸入保護作用。D3、D4和D7、D8是快速恢復二極管，可以使瞬態高壓信號通過二極管從電源旁路流向大地，從而保護功率放大器的輸出端。同時在電源旁路增加兩個瞬態抑制器（TVS），其反向電壓應該略大于放大器正常工作峰值電壓，從而防止從快速恢復二極管流進電源旁路的瞬態高壓信號對電源造成破壞[8]。
    R2、R5和R3、R4是反饋電阻，分別決定功率放大部分和PA52的放大倍數。反饋電阻為低溫漂的高精密電阻，使電路放大倍數準確且變化較小。
    R1和C1構成噪聲增益相位補償電路，R5并聯C2構成反饋零點相位補償電路，來提高功率放大器的穩定性。
2.3 電流限制
    限流裝置采用基于霍爾效應的線性電流傳感器ACS712，將采樣電流轉換成模擬電壓輸出，并且可以很方便地調節過流信號臨界點，電流測量范圍可達±30 A[9]。它的基本原理是:當通過ACS712引腳1和2到引腳3和引腳4的電流不斷上升時，ACS712引腳7的輸出電壓隨之不斷增加，當大于比較器LM393引腳2設定的電壓值的時候，比較器LM393的輸出從低電平變為高電平，RS觸發器Q非端從高電平立刻變為低電平，單片機控制系統檢測到引腳P3.2電平的下降沿，采取相應的保護策略，立刻關閉信號發生器的輸出，功率放大器的輸出也隨之下降，輸出電流減小，從而起到限流作用。信號發生器關斷后，需要通過按鍵發出清除命令，信號發生器才可繼續工作。如圖5所示。

2.4 采樣反饋
    為進一步提高輸出精度，本電源還增加了電壓閉環控制。對輸出電壓值進行電阻分壓后，再用峰值檢測電路獲得平頂波電壓的峰值，經過AD轉換，得到電壓反饋值Vf。單片機比較電壓給定值Vp和反饋值Vf計算出誤差，采用數字增量PID算法進行控制，改變控制器輸出值，使輸出電壓幅值做相應的變化，從而實現電壓源的閉環控制。
3 實驗結果
    圖6給出了輸出電壓波形，最大幅值為80 V。從圖中可以看出波形無交越失真，非線性失真小。

    從表中可見，輸出電壓存在0.5%左右的誤差。原因在于D/A的轉換誤差和功率放大電路受外界噪聲干擾引起的輸出電壓幅值的波動。輸出頻率的偏差則主要受晶振的穩定性和印制電路板對系統電路的影響。
3.2 負載調整率測試
    為衡量電壓源的動態性能，在電壓源運行過程中動態地投入或切除負載(大功率電阻) ，并逐個記錄電壓幅度值。表2為給定輸出電壓幅值為80 V時，不同負載對應的實際電壓值，由該表可知在負載發生變化時，輸出電壓均能保持0.375%的穩定度。

    本文的創新點在于基于單片機控制，設計了工頻正弦平頂波功率源，輸出電壓可以根據需求在輸入面板上鍵入數值，實現輸出電壓任意調節，并且電壓波形精度高；運行穩定可靠，能耗小，可以長期運行。該功率源最大輸出功率可達上千瓦，完全滿足火花間隙測試要求；實用價值高，只需修改代碼即可成為能產生任意波形的電壓功率源。