一种工频正弦平顶波功率电源的研究

在超高压输电线路中采用串补技术，利用串联电容器的容抗补偿输电线路的部分感抗，可以大幅提升线路的输电能力[1]。当串补线路发生故障时，金属氧化物变阻器(MOV)—氧化锌压敏电阻动作并限制串补电容器两端的电压，以保护装置的可靠运行。火花间隙是用于保护MOV和电容器组的关键设备，这就对火花间隙运行的可靠性提出了极高的要求。然而在实际运行中，火花间隙多次出现误动情况，误动原因至今还未明确。例如在2007年7月11日，串补工程东三Ⅲ线B相发生区外单相接地故障，B相间隙在地面控制保护未发出触发命令的情况下放电；间隙的自放电电压整定值为270 kV(瞬时值)，从故障录波图中得到线路发生故障时的电容器组两端瞬时电压波形图，如图1所示，最高值为210 kV，远低于间隙自放电水平；故障期间火花间隙两端的波形与工频正弦平顶波[2]类似。

    火花间隙的这种自放电是否与过电压波形相关以及相关程度需要通过试验进行检验和验证。为了开展火花间隙在工频正弦平顶波电压作用下的自放电特性研究，需要研制一台能产生工频正弦平顶波的大功率试验电源。
1 方案论证
    本文的方案是采用微处理器和大功率运放芯片设计一种工频正弦平顶波功率源，通过变压器直接升压的方式，实现产生火花间隙放电所需的高压工频正弦平顶波，具体电路如图2所示。工频正弦平顶波功率源是主电路的重要组成部分，对整套试验电源的性能起着关键作用。2 系统实现

    本电源由信号发生器、功率放大、限流装置和取样反馈等部分组成。
    信号发生器采用AT89C52单片机实现总体控制，通过D/A转换器产生峰值可调的工频正弦平顶波，经过滤波隔离后，再由基于PA52设计的功率放大器进行电压和功率的放大，并利用峰值检测电路和A/D转换器实现闭环控制。
2.1 信号发生器
    国内生产的信号发生器大部分利用分立元件及模拟集成电路构成，不仅体积大，而且可靠性和准确度很难进一步提高；只能产生规则波形，如方波、三角波和正弦波，无法满足试验要求[3]。本文采用基于单片机设计工频正弦平顶波信号发生器，如图3所示，其优点是具有很高的频率稳定度和电压精确度。

    整个系统设计结构分为控制电路和数据处理电路两大部分。控制电路以AT89C52单片机为核心，加上一些外围电路组成，主要完成人机对话、数据接口、显示信息以及控制数据处理电路工作等功能。数据处理电路主要包括波形输出电路、幅值控制电路和滤波电路。

2.1.1 波形输出电路
    D/A转换的瞬间毛刺、非线性和数字噪声已经成为影响输出波形精度的主要因素。因此在选择D/A转换芯片时除了字长和转换速度外，还应该考虑D/A的非线性和噪声特性。在综合各方面因素之后选择了TI公司的DAC1230，它将单片机的波形数据转化成对应的模拟信号，然后和两级放大器配合[4-5]，输出±8 V的正弦平顶波波形。
2.1.2 幅值控制电路
    利用DAC0832内部的电阻分压网络,将其作为数控电位器使用。DAC0832的参考电压采用AD581芯片提供精密的10.00 V，其输出电压为：
    V=(N/256)×10 V                     (1)
其中N为单片机输入的幅度控制字。
    输出电压为DAC1230提供参考电压，从而实现波形的幅值调节。
2.1.3 滤波电路
    以离散数字序列经数模转换为模拟信号为基础，实现波形发生器有其固有的优点，但同时也有频谱分量复杂、杂波多的缺点。在波形发生器中，滤波器起着保持有效分量、抑制杂波的作用。滤波器的设计主要从两个方面加以考虑，一是低通滤波器本身的传输特性，二是系统输出信号的频谱结构。通过Matlab信号频谱分析并结合实际测试效果，选择截止频率为500 Hz的一阶无源低通滤波器，可以达到良好的滤波效果。
2.2 功率放大器
    DAC的输出电压和电流都比较低，不足以驱动变压器进行升压，因此要把电压和电流进行放大，即功率放大。功率放大器可以由分立元件组成，也可由集成电路实现。由分立元件组成的功放电路复杂且不易调试，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参数稳定、无需调整，信噪比较小，而且电路布局合理，外围电路简单，还可外加散热片解决散热问题。
    因此功率放大器的设计将采用APEX公司的集成功率放大芯片PA52，来提高装置的可靠性和稳定性。PA52内部采用MOSFET管组成放大电路，具有低漂移、低噪声及高转换速率等特点；该芯片采用了共射共基放大电路结构，且混合集成电路基于氧化铍衬底厚膜电路、陶瓷电容和半导体芯片构成，因而具有很高的可靠性、电绝缘性和高精度[6]。其最大转换速率可达50 V/?滋s，最大峰值电流为80 A，最大内部功耗为400 W，最大输出电压峰-峰值为200 V。
    功率放大电路采用双级放大结构，如图4所示。电路中的功率放大芯片PA52的输入失调电压对电源系统的性能有很大的影响。输入失调电压是由运算放大器内部元件，尤其是输入级的两个晶体管特性不均衡引起的。PA52输入失调电压高达5 mV，为了实现电源的高精度，设置前置低压误差放大器OP07来获得较小输入偏置电压，将输入失调电压降到75 μV以下。后置功率放大器PA52的目的是为了获得大输出功率特性。两个放大环节串联组成复合式负反馈放大电路，输出电阻非常小，因此具有较强的带负载能力。

    PA52功率放大芯片提供了独立的输入级供电电源引脚±Vb和输出级供电电源引脚±Vs，输入级供电电源可以比输出级高，从而使得输出电压接近电源电压，获得更大的功率[7]。
    D1、D2和D5、D6是高速开关二极管，将运放输入端限制在0.7 V，对运放起输入保护作用。D3、D4和D7、D8是快速恢复二极管，可以使瞬态高压信号通过二极管从电源旁路流向大地，从而保护功率放大器的输出端。同时在电源旁路增加两个瞬态抑制器（TVS），其反向电压应该略大于放大器正常工作峰值电压，从而防止从快速恢复二极管流进电源旁路的瞬态高压信号对电源造成破坏[8]。
    R2、R5和R3、R4是反馈电阻，分别决定功率放大部分和PA52的放大倍数。反馈电阻为低温漂的高精密电阻，使电路放大倍数准确且变化较小。
    R1和C1构成噪声增益相位补偿电路，R5并联C2构成反馈零点相位补偿电路，来提高功率放大器的稳定性。
2.3 电流限制
    限流装置采用基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712，将采样电流转换成模拟电压输出，并且可以很方便地调节过流信号临界点，电流测量范围可达±30 A[9]。它的基本原理是:当通过ACS712引脚1和2到引脚3和引脚4的电流不断上升时，ACS712引脚7的输出电压随之不断增加，当大于比较器LM393引脚2设定的电压值的时候，比较器LM393的输出从低电平变为高电平，RS触发器Q非端从高电平立刻变为低电平，单片机控制系统检测到引脚P3.2电平的下降沿，采取相应的保护策略，立刻关闭信号发生器的输出，功率放大器的输出也随之下降，输出电流减小，从而起到限流作用。信号发生器关断后，需要通过按键发出清除命令，信号发生器才可继续工作。如图5所示。

2.4 采样反馈
    为进一步提高输出精度，本电源还增加了电压闭环控制。对输出电压值进行电阻分压后，再用峰值检测电路获得平顶波电压的峰值，经过AD转换，得到电压反馈值Vf。单片机比较电压给定值Vp和反馈值Vf计算出误差，采用数字增量PID算法进行控制，改变控制器输出值，使输出电压幅值做相应的变化，从而实现电压源的闭环控制。
3 实验结果
    图6给出了输出电压波形，最大幅值为80 V。从图中可以看出波形无交越失真，非线性失真小。

    从表中可见，输出电压存在0.5%左右的误差。原因在于D/A的转换误差和功率放大电路受外界噪声干扰引起的输出电压幅值的波动。输出频率的偏差则主要受晶振的稳定性和印制电路板对系统电路的影响。
3.2 负载调整率测试
    为衡量电压源的动态性能，在电压源运行过程中动态地投入或切除负载(大功率电阻) ，并逐个记录电压幅度值。表2为给定输出电压幅值为80 V时，不同负载对应的实际电压值，由该表可知在负载发生变化时，输出电压均能保持0.375%的稳定度。

    本文的创新点在于基于单片机控制，设计了工频正弦平顶波功率源，输出电压可以根据需求在输入面板上键入数值，实现输出电压任意调节，并且电压波形精度高；运行稳定可靠，能耗小，可以长期运行。该功率源最大输出功率可达上千瓦，完全满足火花间隙测试要求；实用价值高，只需修改代码即可成为能产生任意波形的电压功率源。