一種高壓大功率變頻可調恆壓源的製作方法
2023-06-23 13:28:26 1
專利名稱：一種高壓大功率變頻可調恆壓源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高壓大功率變頻可調恆壓源，屬於電力電子改造技術領域。
背景技術：
近幾年，隨著世界經濟一體化進程的加快和一些特殊行業的迅猛發展，變頻可調電壓源的應用越來越廣泛，人們對變頻可調電源的質量、功能、性能指標、智能化程度以及成本都有了更高的要求。然而，基於模擬電路技術發展起來的電源產品，性能得不到提高、質量得不到保證，功能也已滿足不了人們使用的需求，這種情況已經嚴重影響了相關行業的發展和技術的進步，因此，研究高性能智能化的變頻可調電壓源有著十分重要的現實意義。 目前變頻可調電壓源大部分是這樣實現的採用逆變技術，將市電中的交流電經過AC — DC — AC變換，採用該技術得到的產品能夠輸出比較純淨的正弦波，且輸出頻率和電壓在一定範圍內可調。但採用這種技術得到的變頻電壓源的幅度和頻率的調節範圍受到一定的限制，大部分只能輸出300V以下、頻率在40-400HZ之間的電壓信號，而且穩定性較差，輸出的精度不高，大部分不超過O. 5%。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，就是提供一種幅度調節範圍大、精度高的高壓大功率變頻可調恆壓源。本發明所要解決的技術問題通過如下技術方案實現一種高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，包括信號發生器和N路信號處理電路，任意兩路信號處理電路內部元件的供電電源不共地；
每路所述信號處理電路由一路數字隔離轉換電路和一個功放模塊構成；
信號發生器產生的信號同步輸出到各路信號處理電路，先經各路信號處理電路的數字隔離轉換電路處理後，輸出N路高精度、隔離的小電壓交流信號，N為整數，且NS 1，各路所述小電壓交流信號具有相同的幅度、頻率和相位，且各路小電壓交流信號的幅度和頻率同步可調；
各路所述小電壓交流信號再輸出到相應的功放模塊中完成放大處理，N路所述功放模塊的輸出端依次串聯後作為所述恆壓源的總輸出。本發明的各路信號處理電路彼此隔離不共地，單獨供電，單獨進行信號處理，抗幹擾能力強，精度高。另外，現有技術中採用逆變技術製成的變頻可調電壓源的輸入一般直接採用市電，而市電易受整個電網幹擾的影響，所以難以滿足需要高精度變頻恆壓源的場合。本發明的恆壓源由信號發生器產生信號，相對穩定，且最後以串聯形式輸出，使恆壓源的總輸出為各功放模塊的輸出電壓之和，從而大大增大了本發明的恆壓源的輸出功率和輸出電壓的可調範圍。作為本發明的一個優選實施例，所述功放模塊主要由儀表運放U1、功率放大器U2和變壓器Tl組成，所述小電壓交流信號以差分方式輸入到所述儀表運放Ul的兩輸入端，再通過橋臂電阻Rl輸出到功率放大器U2的反相輸入端，功率放大器U2的同相輸入端通過平衡電阻R4接地，功率放大器U2的輸出端與變壓器Tl 一次側的一端相連，變壓器Tl 一次側的另一端接地，變壓器Tl 二次側的兩輸出端引出作為此路功放模塊的兩輸出端U1+、U1-以便與其它功放模塊的輸出端相串聯；
所述功放模塊還包括反饋電路和低通濾波電路，所述反饋電路設於變壓器Tl 二次側的一端Ul+和功率放大器U2的反相輸入端之間，所述反饋電路由反饋電阻R2構成，所述低通濾波電路連於功率放大器U2的輸出端和其同相輸入端之間。由於本發明的恆壓源所輸出的高壓是由N路功放模塊的輸出電壓相加得到的，對於單個功放模塊的電壓增益要求不高，能更好的保證高頻的輸出。這是因為，在正常情況下，變壓器在傳遞交流信號的時候，所輸出的交流信號的頻率越高、幅度越大，變壓器內部損耗也越高，越容易引起功放的震蕩，所以只有保證輸出信號的幅度不是很高的情況下，才能保證高頻的輸出，使本發明恆壓源的頻率可調範圍增大。 本發明利用儀表運放Ul對輸入的小電壓交流信號進行差分處理，抵消同相輸入端與反相輸入端之間的幹擾，使輸出的信號失真度小，在利用功率放大器U2對上述失真度小的信號進行放大處理的同時，在功率放大器U2的輸出端與輸入端之間設置低通濾波電路，濾除功率放大器U2輸出的放大信號的直流部分，保證變壓器Tl的輸出在一個線性的狀態，本發明還將功率放大器U2的反饋電路的一端設置在變壓器Tl的輸出端，使變壓器Tl的輸出更加穩定，基本不受負載變化影響，從而使本發明的恆壓源能保持高精度輸出。作為本發明的一種具體實施方式
，所述低通濾波電路由運放U3、電阻R3和電容Cl構成，運放U3的反相輸入端連接功率放大器U2的輸出端，其同相輸入端接地，其輸出端與功率放大器U2的同相輸入端相連，所述電阻R3和電容Cl分別並聯在運放U3的反相輸入端與其輸出端之間。所述變壓器Tl 二次側連接反饋電路的一端與功率放大器U2的輸出端之間還設有相位補償電路，所述相位補償電路由電容C構成，使功率放大器U2的工作狀態更加穩定。所述變壓器Tl 二次側區別於與所述反饋電路連接的一端接地，以增強系統的穩定性。經所述功放模塊輸出的電壓信號的幅度在220V以下，以便能使本發明的恆壓源可以保證高達1050HZ的頻率輸出，且輸出精度可達O. 05%。所述橋臂電阻Rl和反饋電阻R2都採用IPPM的高精度電阻，以保證功率放大器U2輸出的高精度和穩定性。作為本發明優選的實施例，所述信號發生器為DSP處理器，所述數字隔離轉換電路由一個數字隔離器、一個數模轉換器和一個設置有由電阻R構成的負反饋電路的前級運放U4順次連接而成，所述DSP處理器上還設置有便於其與外部電腦設備相連的RS232接□。本發明利用DSP處理器產生一路穩定的數位訊號，然後將此路數位訊號同步輸出到N個數字隔離器使經其輸出的各路信號彼此隔離互不幹擾，並利用具有相同組成的N路電路對所述數位訊號進行分別處理，不但能很好的保證經功放模塊輸出的交流電壓信號的精度，而且使準備串聯輸出的各路所述交流電壓信號具有相同的頻率、相位、幅度、波形失真度等，使最後經過恆壓源輸出的高壓信號能完全疊加。相對現有技術，本發明具有如下有益效果1)本發明通過信號發生器產生信號，同步輸出到N路信號處理電路，各路信號處理電路彼此隔離不共地，単獨供電，単獨進行信號處理，相對現有技木，不僅輸入信號處理電路的信號較穩定，而且各信號處理電路的抗幹擾能力強，利於提高本發明的輸出精度；本發明的恆壓源以串聯形式輸出，輸出的電壓和功率為各功放模塊輸出的電壓和功率之和，大大增大了本發明的總輸出功率和總輸出電壓的可調範圍；
2)本發明的功放模塊設置儀表運放、反饋電路、低通濾波電路等，以降低波形失真，提高了輸出精度；本發明的輸出高壓是由多路功放模塊輸出的電壓疊加起來的，對每路功放模塊輸出電壓幅度的要求被降低，以便可以在保證精度的同時通過限制單路功放模塊的輸出來獲得較高的輸出頻率，使本發明的恆壓源能輸出ー種幅度和頻率可調範圍大、精度高的高壓大功率電壓信號，經試驗，本發明在一個實施例中能輸出幅度高達1600V、頻率在4(Γ1050ΗΖ範圍內可調、精度可達0. 05%大功率交流電壓信號； 3)本發明利用DSP處理器產生數位訊號，再通過數字隔離器將數位訊號分開為Ν路隔離的信號輸出，充分利用DSP處理器的特點，使通過所述數字隔離轉換電路輸出的小電壓交流信號精度高、頻率調節範圍大、穩定不易被幹擾；另外，採用DSP處理器作為信號發生器，方便與外接電腦設備相連從而實現程序控制，自動設置其輸出，使所述恆壓源更加智能化。
圖1為本發明的原理框 圖2為本發明較佳實施例的功放模塊的原理圖(只畫出一路功放模塊)；
圖3為本發明的較佳實施例的數字隔離轉換電路的原理框圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進ー步說明
如圖1至3所示，本發明的高壓大功率變頻可調恆壓源包括信號發生器和Ν路信號處理電路，任意兩路信號處理電路內部元件的供電電源不共地，具體是採用不同的開關電源來供電以達到不共地的目的，不共地可以方便最終實現串聯。每路信號處理電路由一路數字隔離轉換電路和一個功放模塊構成。信號發生器產生的信號同步輸出到各路信號處理電路，先經各路信號處理電路的數字隔離轉換電路處理後，輸出Ν(Ν為整數，且Ν > 1)路高精度、隔離的小電壓交流信號，各路小電壓交流信號具有相同的幅度、頻率和相位，且各路小電壓交流信號的幅度和頻率同步可調。如圖1所示，從數字隔離轉換電路輸出的各路小電壓交流信號再輸出到相應的功放模塊中完成放大處理並輸出電壓0UTn+和OUTn-，η為1、之間的整數，Ν路功放模塊的輸出端首尾相連，即OUT (n-1)-的輸出端與0UTn+的輸出端依次相連，以此來實現串聯輸出，最終以輸出端0UT1+為本發明的恆壓源的總的正相輸出端，0UTN-本發明的恆壓源的總的負輸出端。本發明的恆壓源最終輸出的電壓為Ν個功放模塊輸出的電壓之和，功率為N個功放模塊輸出的功率之和。如圖1、2所示，本實施例中，信號發生器為DSP處理器，DSP處理器是ー種數位訊號處理器件，它不僅具有可編程性，而且具有強大的數據處理能力和非常高的運行速度，且受溫度、環境等外部因素影響小。如圖3所示，DSP處理器產生的數位訊號，通過數據總線採用並聯方式分別輸出到Ν路數字隔離轉換電路中，DSP處理器上設置有便於其與外部電腦設備相連的RS232接ロ，便於實現程序控制，從而使本發明的恆壓源更加智能化。數字隔離轉換電路由ー個數字隔離器、一個數模轉換器和一個設置有由電阻R構成的負反饋電路的前級運放U4構成。本實施例中，所述數模轉換器為16位DAC，所述數字隔離器的輸出端通過數據總線輸出到16位DAC進行數模轉換再輸出到前級運放U4形成高精度的小電壓交流信號。因為經數字隔離轉換電路輸出的小電壓交流信號都是由同一信號轉化而成，所以經各路所述數字隔離轉換電路輸出的小電壓交流信號具有相同的幅度、頻率和相位，且各路小電壓交流信號的幅度和頻率同步可調。
本實施例的功放模塊的結構如圖2所示，功放模塊包括儀表運放U1、功率放大器U2和變壓器Τ1。所述小電壓交流信號以差分方式輸入到所述儀表運放U1的兩輸入端，再通過橋臂電阻R1輸出到功率放大器U2的反相輸入端，功率放大器U2的同相輸入端通過平衡電阻R4接地，平衡電阻的作用主要是為了保證功率放大器U2輸入端的輸入阻抗的匹配。功率放大器U2的輸出端與變壓器Τ1 一次側的一端相連，變壓器Τ1 一次側的另一端接地，變壓器Τ1 二次側的兩輸出端引出作為此路功放模塊的兩輸出端U1+、U1-以便與其它功放模塊的輸出端相串聯。功放模塊還包括反饋電路、低通濾波電路和相位補償電路，反饋電路設於變壓器Τ1 二次側的一端U1+和功率放大器U2的反相輸入端之間，由反饋電阻R2構成，變壓器Τ1二次側的區別於與所述反饋電路連接的另一端U1-接地。橋臂電阻R1和反饋電阻R2的取值遵循公式U0UT=UIN*R2/R1，為保證輸出的高精度和穩定性，兩電阻採用的是1PPM的高精度電阻。低通濾波電路連於功率放大器U2的輸出端和其同相輸入端之間，低通濾波電路由運放U3、電阻R3和電容C1構成，運放U3的反相輸入端連接功率放大器U2的輸出端，其同相輸入端接地，其輸出端與功率放大器U2的同相輸入端相連，所述電阻R3和電容C1分別並聯在運放U3的反相輸入端與其輸出端之間。相位補償電路設置在變壓器T1 二次側連接反饋電路的一端與功率放大器U2的輸出端之間，相位補償電路由電容C構成，使功率放大器U2能夠工作在穩定的狀態。上述實施例的工作過程說明，DSP處理器產生一路數位訊號，經數據總線同步輸出到N路數字隔離轉換電路後，輸出幅度為0-7V、頻率在40-1050HZ範圍內可調、精度可達0. 02%的N路小電壓交流信號，並以差分方式輸入到功放模塊的儀表運放U1，具體是數字隔離轉換電路的輸出正端和接地端這兩個信號以差分方式接入儀表運放U1的正、反相輸入端。儀表運放U1對輸入的信號進行差分處理，抵消正、反相輸入端的幹擾信號,使輸出的波形失真度更小。由於儀表運放U1對信號隔離轉換電路輸出的信號沒有放大作用，其輸出的信號仍為0-7V的交流小信號，所以需進ー步輸出到功率放大器U2中對其做放大處理，功率放大器U2的輸出端驅動變壓器的一次側，最終通過變壓器的二次側輸出。功率放大器U2的反饋電路的一端直接取在變壓器二次側的ー輸出端上，從硬體原理上來講反饋點設置在哪個位置，輸出的值就能在這個位置足夠的穩定。在正常情況下，變壓器T1在傳遞交流信號的時候，頻率越高，幅度越大，變壓器Τ1內部損耗也越高，越容易引起功率放大器U2的震蕩，所以只有在輸出信號不是很高的情況下，才能保證高頻的輸出，經過試驗證明在變壓器Τ1的二次側輸出220V的時候，頻率能夠達到1050ΗΖ的輸出，滿足設計要求，所以單個功放模塊的輸出限值可以設定在220V。通過變壓器Τ1輸出的電壓的幅度調節範圍為0 220V，頻率調節範圍為4(Γ1050ΗΖ。由於變壓器對於直流信號來講呈現低阻抗狀態，但是所有功率放大器的輸出幾乎都有失調直流電壓，所以在這裡，採用運放U3，電阻R3和電容C1組成低通濾波電路來將功率放大器U2輸出的直流部分濾除，保證變壓器Τ1的輸出在ー個線性的狀態。本發明的電路所採用的關鍵元器件都為低溫漂，高精度的器件，硬體上採用的是閉環負反饋的方式，所以能保證整個電路的ー個高精度與長期穩定性。
本發明操作實施簡單方便，利用簡單的電壓串聯方式，輕鬆實現高電壓，大功率的變頻恆壓源的輸出。另本發明採用的是數字程控方式，可以用軟體編程控制恆壓源的輸出，實現自動化程控輸出。本發明的應用不限於此，也可以模擬電網一次側的電壓輸出，作為ニ次側產品生產廠家的檢測設備。
權利要求
1.一種高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，包括信號發生器和N路信號處理電路，任意兩路信號處理電路內部元件的供電電源不共地； 每路所述信號處理電路由一路數字隔離轉換電路和一個功放模塊構成； 信號發生器產生的信號同步輸出到各路信號處理電路，先經各路信號處理電路的數字隔離轉換電路處理後，輸出N(N為整數，且N > I)路高精度、隔離的小電壓交流信號，各路所述小電壓交流信號具有相同的幅度、頻率和相位，且各路小電壓交流信號的幅度和頻率冋步可調； 各路所述小電壓交流信號再輸出到相應的功放模塊中完成放大處理，N路所述功放模塊的輸出端依次串聯後作為所述恆壓源的總輸出。
2.根據權利要求I所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述功放模塊包括儀表運放(Ul)、功率放大器(U2)和變壓器(Tl)，所述小電壓交流信號以差分方式輸入到所述儀表運放(Ul)的兩輸入端，再通過橋臂電阻Rl輸出到功率放大器(U2)的反相輸入端， 功率放大器(U2)的同相輸入端通過平衡電阻R4接地，功率放大器(U2)的輸出端與變壓器(Tl) 一次側的一端相連，變壓器(Tl) 一次側的另一端接地，變壓器(Tl) 二次側的兩輸出端引出作為此路功放模塊的兩輸出端(Ul+、Ul-)以便與其它功放模塊的輸出端相串聯； 所述功放模塊還包括反饋電路和低通濾波電路，所述反饋電路設於變壓器(Tl) 二次側的一端(Ul+)和功率放大器(U2)的反相輸入端之間，所述反饋電路由反饋電阻R2構成，所述低通濾波電路連於功率放大器(U2)的輸出端和其同相輸入端之間。
3.根據權利要求2所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述變壓器(Tl)二次側連接反饋電路的一端與功率放大器(U2)的輸出端之間還設有相位補償電路，所述相位補償電路由電容C構成。
4.根據權利要求3所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述低通濾波電路由運放(U3)、電阻R3和電容Cl構成，運放(U3)的反相輸入端連接功率放大器(U2)的輸出端，其同相輸入端接地，其輸出端與功率放大器(U2)的同相輸入端相連，所述電阻R3和電容Cl分別並聯在運放(U3)的反相輸入端與其輸出端之間。
5.根據權利要求4所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，經所述功放模塊輸出的電壓信號的幅度在220V以下。
6.根據權利要求5所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述變壓器(Tl)二次側區別於與所述反饋電路連接的一端(U1-)接地。
7.根據權利要求6所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述橋臂電阻Rl和反饋電阻R2都採用IPPM的高精度電阻。
8.根據權利要求I至7任一項所述的高壓大功率變頻可調恆壓源，其特徵在於，所述信號發生器為DSP處理器，所述數字隔離轉換電路由一個數字隔離器、一個數模轉換器和一個設置有由電阻R構成的負反饋電路的前級運放(U4)順次連接而成，所述DSP處理器上還設置有便於其與外部電腦設備相連的RS232接口。
全文摘要
一種高壓大功率變頻可調恆壓源，包括信號發生器和N路信號處理電路，任意兩路信號處理電路內部元件的供電電源不共地；每路所述信號處理電路由一路數字隔離轉換電路和一個功放模塊構成；信號發生器產生的信號同步輸出到各路信號處理電路，先經各路信號處理電路的數字隔離轉換電路處理後，輸出N(N為整數，且N≥1)路高精度、隔離的小電壓交流信號，各路所述小電壓交流信號具有相同的幅度、頻率和相位，且各路小電壓交流信號的幅度和頻率同步可調；各路所述小電壓交流信號再輸出到相應的功放模塊中完成放大處理，N路所述功放模塊的輸出端依次串聯後作為所述恆壓源的總輸出。本發明輸出的電壓和功率的精度高，幅度調節範圍大。
文檔編號G05F1/12GK102955486SQ20121040806
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者趙偉, 孫衛明, 肖勇, 孟金嶺 申請人:廣東電網公司電力科學研究院