動態(tài)電壓恢復器采用電壓瞬時值比較增量檢出法檢測電壓波動和諧波分量時，同步基準正弦電路是實現(xiàn)瞬時值波形比較的必要條件。實現(xiàn)比較量和被比較量頻率相同、相位一致的高質(zhì)量標準正弦電壓電路對于動態(tài)電壓恢復器獲得良好的補償效果具有重要作用。
1 同步基準正弦電路原理框圖
同步基準正弦電源在動態(tài)電壓恢復器中的應用有如下特點：1)作為基準正弦電壓信號使用，所需功率很小，只有幾瓦；2)負載固定，不存在因負載變化對基準正弦電壓產(chǎn)生的影響。
另外，由于市電電壓經(jīng)過動態(tài)電壓恢復器補償后有較高的穩(wěn)壓精度，50 Hz波形信號的幅值變化在國標“電能質(zhì)量電壓波動和閃變GB／T 12326-2008”閉的±1％以內(nèi)，不會對電源的輸出電壓產(chǎn)生影響。只要對標準交流正弦基準電源設(shè)計較強的電壓反饋環(huán)，以對50 Hz波形信號的幅值變化具有較強的調(diào)節(jié)能力，就可以直接用市電電壓作為50 Hz波形信號。從而消除了采用壓控振蕩器與市電電壓進行同步鎖相而引發(fā)的鎖相過渡過程對瞬時值波形比較法產(chǎn)生的不穩(wěn)定影響，實現(xiàn)的原理框圖如圖1所示。
2 同步基準正弦電路的設(shè)計實現(xiàn)
2．1 模擬、數(shù)字部分電路設(shè)計
交流50 Hz波形采用降壓變壓器直接從經(jīng)過補償?shù)呢撦d電壓上獲取，為避免諧波含量的影響，采用無限增益多路反饋電路，在輸出側(cè)串入低通有源濾波器。
穩(wěn)幅驅(qū)動電路由波形反饋環(huán)和電壓反饋環(huán)構(gòu)成，其中，波形反饋是為了克服整機非線性失真，從輸出變壓器二次繞組采用波形反饋，使總輸出電壓波形的諧波失真較低。而電壓反饋是基準電路的輸出信號經(jīng)移相電路后得到兩路正交的交流電壓，經(jīng)全波精密整流后，合成為紋波較小的反饋電壓。當給定的基準電壓與該反饋電壓比較時，其偏差經(jīng)積分放大電路放大后，控制可變增益放大器的電壓增益，從而保持輸出電壓穩(wěn)定。
2．1．1 輸入信號的模擬實現(xiàn)
輸入變壓器變比取為220：8，同步基準正弦電路的輸入信號幅值為11 V。假設(shè)所含諧波均為三次諧波，則三次諧波含量為4％時的最大幅值為440 mV，模擬輸入信號電路采用加法器實現(xiàn)，如圖2所示。
2．1．2 低通濾波器設(shè)計
二階低通濾波器采用無限增益多路反饋電路形式的快速設(shè)計方法，確定電路參數(shù)和形式如圖3所示。
如圖3所示輸入輸出關(guān)系式為：
代入數(shù)值計算后得Uo≈0．91∠120°Ui
可見，輸入信號通過低通濾波器后有相移，應加移相電路進行修正。
2．1．3 移相電路
為了修正低通濾波器的相位偏移，加入移相電路如圖4所示。
如圖4所示輸入輸出關(guān)系為：
2．1．4 電壓反饋電路
電壓反饋信號調(diào)理電路由移相電路，全波精密整流和積分放大電路3部分組成，如圖5所示。移相電路用以將輸出側(cè)的交流電壓形成兩路正交的交流電壓，計算方法同式(1)。全波精密整流設(shè)計成輸出輸入之間的比例關(guān)系為1。積分放大電路為可變增益放大器提供反饋信號，對電路的精度具有重要影響。
功率放大器采用LM380集成功率放大器件，輸出電壓為2.368V的正弦電壓信號，經(jīng)過移相和全波精密整流后作為積分放大器的輸入信號，其值為2．368|sinωt|和2．368|cosωt|，合成為uf=2．368(|sinωt|+|cosωt|)，因為1≤(|sinωt+|cosωt|)≤
，故積分放大電路輸出信號uf在2．368和3．348之間變化，取其平均值為2．858 V。
ADC0831正常工作的輸入電壓應在5 V以內(nèi)，因此取uf與基準電壓源信號ug=-4 V比較，偏差為△u=uf+ug=-1．142 V，該偏差經(jīng)積分放大輸出，大小為Uf=-1．142x(-2．5)=2．855 V。該信號作為ADC0831的輸入信號。
2．2 可變增益放大器設(shè)計
傳統(tǒng)的反饋電壓信號由機械電位器分壓獲得，不能夠滿足電能質(zhì)量電壓波動和諧波變化的要求。采用數(shù)控方式調(diào)節(jié)電阻值的數(shù)字電位器帶總線接口，可通過單片機或邏輯電路進行編程。實現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”的全新設(shè)計理念。AD5241是帶有I2C總線接口的256位10 kΩ，100kΩ，1MΩ數(shù)字電位器，利用8位串行A／D轉(zhuǎn)換器片ADC0831設(shè)計單路電壓信號檢測電路，并將電壓檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成8位數(shù)字量，通過數(shù)字量控制電阻阻值的變化，實現(xiàn)了動態(tài)電壓恢復器同步基準正弦電路中反饋電路的電阻變化實時反應電壓變化的要求。實現(xiàn)電路如圖6所示。
AD5241采用1O kΩ阻值通道，則由
得 
可變增益放大器的分壓電阻取值為20-(10-5．71)=15．71 kΩ。
3 仿真結(jié)果
Proteus軟件具有模擬電路、數(shù)字電路和單片機應用系統(tǒng)的設(shè)計和仿真功能，是目前能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M行較好仿真的軟件，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的設(shè)計。本電路采用基于Proteus的產(chǎn)品設(shè)計流程，克服了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計中沒有物理原型就無法對系統(tǒng)進行測試、沒有系統(tǒng)硬件就很難對軟件進行調(diào)試的缺點。
根據(jù)國標公用電網(wǎng)諧波，GB／T 14549-1993，假設(shè)基準正弦波均方根值為220 V，頻率50 Hz。符合國標要求的奇次諧波(假設(shè)均為三次諧波)的含量為4％，依據(jù)式(1)，可得幅值大小為11 V。
該電路的輸入波形、輸出波形和反饋波形如圖7所示。由圖中可見，輸入波形諧波含量通過圖8的傅里葉分析儀可以看出為4％，經(jīng)過同步基準正弦電路的電壓反饋環(huán)和波形反饋環(huán)進行補償后，輸出波形質(zhì)量得到明顯改善，輸出電壓幅值為2．09 V，其三次諧波幅值為0．018 8 mV，含量為O．9％。
積分放大輸出的送往ADC0831的電壓反饋信號，由圖可見是紋波很小的直流信號，衰減時間常數(shù)為：
經(jīng)過3τ～5τ即0．25 s后應達到穩(wěn)定狀態(tài)，理論分析與圖中的穩(wěn)定時間一致。
輸入電壓為11 V時，對應輸出為2 V，當輸入電壓幅值有2％的波動時，輸出電壓為2．03 V，如圖9所示，波動量由2％減小到了1．5％。可見該電路可以減小諧波與電壓波動的影響，達到了設(shè)計目的。
在使用中需要注意的是，當帶載時，需要考慮負載的影響，調(diào)整RV3可調(diào)電位器，使波形相位保持一致。
4 結(jié)束語
考慮到采用了動態(tài)電壓恢復器補償裝置后的電能質(zhì)量特點，設(shè)計了采用電壓瞬時值比較法時的同步基準正弦電路，該電路采用了較強的電壓反饋環(huán)和波形反饋環(huán)，保證了諧波失真小和輸出電壓穩(wěn)定。尤其在電壓反饋環(huán)節(jié)通過采用數(shù)字電位器AD5241器件，滿足了電路中電阻阻值實時反應電壓變化的要求，有效保證了控制速度和精度。該電路在高頻交流環(huán)節(jié)AC／AC變換系統(tǒng)和不間斷電源UPS中具有廣泛的應用價值。