CN203287407U - 一种高压大功率多次谐波发生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高压大功率多次谐波发生装置。该多次谐波发生装置包括DSP控制单元，信号发生器单元包括基波信号发生器、2次……至50次谐波发生器，分别与基波信号和各谐波信号对应的各幅度调整电路和电子开关电路，加法电路，功放电路，幅度反馈电路，键盘输入电路，谐波测量仪。本实用新型是能产生多次谐波的试验仪器，通过模拟研究被测试试品在各种谐波的作用下的各个性能参数，使被测试品更好的运用到电力系统中去。利用对它的研究可以解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，研究电力系统日益增多、成分越来越复杂的谐波对CVT的计量、发热、保护整定等方面的影响。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模拟实现电网、电子元器件等电力设备产生的高压大功率多次谐波发生装置。
背景技术
理想的公用电网供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的其他设备产生干扰。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部回路并联谐振或串联谐振，使局部回路中的电容器，电抗器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。这样就需要一种可以产生各种谐波的试验仪器，来模拟电网或者电力电子元器件所产生的谐波对电网及用电设备的污染。
实用新型内容
本实用新型的目的就在于提供一种高压大功率多次谐波发生装置，它是能产生多次谐波的试验仪器，通过模拟研究被测试试品在各种谐波的作用下的各个性能参数，使被测试品更好的运用到电力系统中去。利用对它的研究可以解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，研究电力系统日益增多、成分越来越复杂的谐波对CVT的计量、发热、保护整定等方面的影响。
本实用新型的技术方案为：
本实用新型一种高压大功率基波叠加多谐波电源装置：包括DSP控制单元，信号发生器单元包括基波信号发生器、2次……至50次谐波发生器，分别与基波信号和各谐波信号对应的各幅度调整电路和电子开关电路，加法电路，功放电路，幅度反馈电路，键盘输入电路，谐波测量仪；DSP控制单元是整个电源装置的心脏控制各单元的有序动作，其输出端口分别直接与基波信号发生器，2次至50次谐波发生器，以及各幅度调整电路和电子开关电路相连接，控制各单元的有序动作；同时DSP控制单元的输出端口分别通过数据总线连接基波信号发生器和各谐波信号发生器输出模拟信号通过对应的幅度调整电路和电子开关电路连接到加法电路的输入端；加法电路的输出接口连接到功放电路；功放电路的一路输出通过反馈电路连接回DSP控制单元，功放电路的一路输出通过励磁变压器将波形加到试品上，所述谐波测量仪测量试品上的谐波分量；所述键盘输入电路的输出接口连接到DSP控制单元的一个输入端口。键盘输入电路把所需要的基波，各次谐波的幅度、频率等参数输入DSP控制单元，DSP控制单元通过数学运算，计算出所需要的各次谐波量，通过数据总线传送给信号发生器。信号发生器输出的模拟信号通过幅度调整电路对其各个波形进行幅度调整。调整过后的波形再通过电子开关电路来选择所需要的谐波，然后通过加法电路把基波和所需要的各次谐波进行叠加，叠加后的波形进行功率放大，通过励磁变压器加到试品上。谐波测量仪测量试品上的谐波分量，分析判断实时输出的谐波正常或超标，未达到要求的可通过反馈电路反馈给输入端的DSP控制单元重复上述过程，直至测出的谐波符合要求为止。
本实用新型可划分成如下单元
第一单元：DSP控制单元主要是由抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成。它是以数字信号来处理大量信息的特殊处理器。
第二单元：2-50次谐波发生器是产生含有的频率为基波频率的整数倍的正弦波信号单元。（如基波频率为F=50Hz，2次谐波频率为F=100Hz，3次谐波频率为F=150Hz……以此类推50次谐波频率F=2500HZ ），信号发生器由晶振、DDS芯片及一些外围电路构成。
第三单元：幅度调整电路是调整基波信号发生器和谐波信号发生器所产生波形的幅度大小，用以控制所需要波形的大小。
第四单元：电子开关电路是用来选择所需要的谐波。
第五单元：加法电路是把所需要的基波和所有谐波的叠加。
第六单元：功放电路是用来放大叠加后波形的功率。
第七单元：幅度反馈电路是对输出信号的跟踪并反馈给输入端的控制单元。
第八单元：键盘输入电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互。
第九单元：谐波测量仪是对输出谐波实时测量，分析数据，判断正常或超标。
本实用新型的有益效果为：
优点如下：
1)简单明了，自由选择：基于一种高压功率基波叠加多谐波电源装置的组成，可以看出，有独立的基波和各次谐波信号发生装置，通过DSP控制其频率，幅度，可以对各路谐波单独调试。大大方便了技术员的现场操作，对初学者也简单明了。
2）技术效果
采用直接数字合成技术（DDS）设计的信号发生器与传统信号源相比具有其独特的优点：频率稳定度高、 频率精度高、无量程限制、无过渡过程。
3）易于控制
目前新上市的DDS 芯片大多都带有微控制器，设计者只要增加少许外围器件就可以制作成基于DDS 技术的高质量信号发生器，如果再增加一些智能控制可以设计出幅度、频率、相位多方位控制的多功能信号发生器。而且性能完全可以达到高档进口信号发生器所具有的性能，而价格可以大大节省。
附图说明
图1为本实用新型一种高压大功率多次谐波发生装置的系统原理框图；
图2为本实用新型实施例中波信号发生器模块的电路原理图；
图3为本实用新型实施例中所述基波信号发生器模块中信号放大模块的电路原理图；
图4为本实用新型实施例中所述幅度调整电路的电路原理图；
图5为本实用新型实施例中所述电子开关电路（包括加法器电路）的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细说明
如附图1所示为本实用新型高压大功率多次谐波发生装置的系统原理框图，该多次谐波发生装置包括DSP控制单元，能产生基波信号的基波信号发生器，可产生谐波的2次谐波发生器……直至50次谐波发生器，以及和基波信号发生器及各谐波发生器对应的幅度调整电路和电子开关电路，加法电路，功放电路，幅度反馈电路，键盘输入电路，谐波测量仪。
本实用新型所述高压大功率多次谐波发生装置可划分成如下单元：
第一单元：DSP控制单元主要是由抗混叠滤波器、数据采集A/D转换器、数字信号处理器DSP、D/A转换器和低通滤波器等组成它是以数字信号来处理大量信息的特殊处理器在本实施例中所述DSP控制单元可采用具体型号为TMS320F28335的浮点DSP控制器。
第二单元：2-50次谐波发生器是产生含有的频率为基波频率的整数倍的正弦波信号单元。（如基波频率为F=50Hz，2次谐波频率为F=100Hz，3次谐波频率为F=150Hz……以此类推50次谐波频率F=2500HZ ），信号发生器由晶振、DDS芯片及一些外围电路构成；在本实施例中可采用型号为AD9835的DDS集成电路。DDS集成电路AD9835是一款低功耗、可编程波形发生器，最高时钟频率为50 MHz。当AD9835的时钟为25 MHz时，其输出频率范围为DC~12．5 MHz，分辨率是0．005 82 Hz。AD9835控制灵活方便，采用串行方式加载数据，只需3根单片机端口线即可控制。如图2和涂所示。
第三单元：幅度调整电路是调整基波信号发生器和谐波信号发生器所产生波形的幅度大小，用以控制所需要波形的大小。所述幅度调整电路模块由可编程数字电位器，可调电阻，反向运算放大器，串行外设接口SPI，以及一些外围元件构成。本实施例中可采用型号为MAX5394的可编程数字电位器如图4所示。
第四单元：电子开关电路是用来选择所需要的谐波，如图5。
第五单元：加法电路是把所需要的基波和所有谐波的叠加，如图5圆圈部分。
第六单元：功放电路是用来放大叠加后波形的功率。
第七单元：反馈电路是对输出信号的跟踪并反馈给输入端的控制单元。
第八单元：键盘输入电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互。
第九单元：谐波测量仪是对输出谐波实时测量，分析数据，判断正常或超标。上诉各单元电路都可采用常规设计的电路。
使用过程中，通过键盘输入电路把所需要的基波，各次谐波的幅度、频率等参数输入DSP控制单元。DSP控制单元通过一定的数学运算，控制波信号发生器模块中DDS集成电路AD9835（如图2所示），输出所期望的不同频率正弦波信号。
所述波信号发生器模块的电路图如图2所示，芯片选的是DDS集成电路AD9835，它是一款低功耗、可编程波形发生器，最高时钟频率为50 MHz。当AD9835的时钟为25 MHz时，其输出频率范围为DC~12．5 MHz，分辨率是0．005 82 Hz。AD9835控制灵活方便，采用串行方式加载数据，只需3根单片机端口线即可控制。如图3是DDS集成电路AD9835的外围电路即信号放大模块电路，它与图2的OUT相连接，构成基波和多次谐波的信号发生器单元。
图2所示，AD9835的2脚REFIN和3脚REFOUT分别为参考电压输入和参考电压输出，4脚DVDD是数字电源输入端，15脚AVDD是模拟电源输入端，为了保证性能和抗干扰，4脚DVDD和15脚AVDD是分开供电的。6脚MCLK接的是振荡频率25MHZ的晶振，它提供时钟信号。7脚SCLK和8脚SDATA是二线串口，11脚PSEL1和12脚PSEL0是地址选择端口，低电平有效。当低电平有效时，DSP把地址和数据通过7脚SCLK和8脚SDATA存储到AD9835的相应的存储器中，这里的数据是频率和相位。14脚IOUT是电流输出端，经360Ω的电阻变成电压输出。由于AD9835输出信号太弱，只有1.35 V，必须对其多级滤波放大。因此，再接图3信号模拟放大电路的OUT端，将信号放大到所需要的电压，比如接近5 V。
信号发生器模块出来的模拟信号通过幅度调整电路对其各个波形进行幅度调整。为了实现以数字方式控制输出幅值，将DDS输出信号经滤波放大，幅度调整电路的电路图如图4所示，其包括可编程数字电位器KBCSZDWQ、可调电阻KTDZ、反向运算放大器FXYSFDQ。SPI为串行外设接口，它通过DSP输送的数字信号控制可调电阻,即控制滑动点W。假设可调电阻 的阻值范围为0~10KΩ，
=5 KΩ，VS=5V，由公式：V0= VS 
=5
可知输出电压V0的可调范围是0~10V。因此，我们可以通过此幅度调整电路来控制模拟信号的振幅，达到所需要的幅度。
再通过电子开关电路对所通过的波形进行筛选，切断不需要的谐波信号。如图5所示电子开关电路：SRCLK是串行移位时钟，RCLK是第二节锁存器锁存信号，SER是数据输入端，
是输出控制信号，低电位有效，始终接地。
为移位寄存器清零信号，低电位有效，始终接高点位。
如图5所示中黑框中表示的是单个电子开关电路，其包括型号为MC54HC595A的串行寄存器和2个型号为HC4066DE 电子开关组及一些外围元件。如图5所示串行寄存器收到DSP指令时，当第一个SPCLK脉冲来到时，SER数据输入端的第一个数据同步送到串行寄存器1里的移位寄存器中的位，当第二个SPCLK脉冲来到时，SER数据输入端的数据把第二个数据送到
位同时把原来的第一个数据移位到
位，以此类推，等
上的数据满格后，RCLK脉冲触发，把移位寄存器中的所有数据同时送到锁存器中，再通过串行寄存器中的三态输出门输出，控制电子开关组2的开关，以此达到所需要得各路谐波。每个开关组的1号脚IN是接幅度调整电路的输出端
。一个电子开关组2是由4个电子开关组成，所以一个八位串行寄存器控制2组电子开关，整个装置要设计50个发生器，因此要有7个这样的电子开关模块单元串联结。串口寄存器的优点在于控制线少，便于设计。
电子开关电路出来的有效谐波信号通过加法电路叠加，叠加后的波形是含有已知各种谐波的50HZ正弦波。再通过功率放大电路将其功率放大。输出的电压，通过反馈电路反馈给DSP控制单元，如果输出的电压值与给定值不符，DSP控制单元就会自动调整，重新调整信号幅度，直至达到给定值。
本实用新型中所述功放电路、以及反馈电路都可采用一般教科书中所记载的常规的电路即可，在本实施例中就不在提供具体电路图了。
所述谐波测量仪可采用HRDXB系列的产品即可，其实时监测最终输出的各次谐波，如果没有达到相应的技术参数，再通过键盘输入电路输入相应的波形频率，反复调整，直至调整到各项技术参数都符合。
主要技术指标:
a. 输出频率
基波：45～65Hz可调 谐波：50n Hz（n=2，3……49，50）
b. 基波调节分辨率：0.1Hz
c. 频率不稳定度：≤0.05%（基波），≤1%（谐波）
d. 基波电压及谐波含量（占基波比例10%）
失真度：THDu≤1% （基波及谐波）。
Claims (1)
1.一种高压大功率多次谐波发生装置，其特征在于：该多次谐波发生装置包括DSP控制单元，信号发生器单元包括基波信号发生器、2次……至50次谐波发生器，分别与基波信号和各谐波信号对应的各幅度调整电路和电子开关电路，加法电路，功放电路，幅度反馈电路，键盘输入电路，谐波测量仪；
DSP控制单元是整个电源装置的心脏控制各单元的有序动作，其输出端口分别直接与基波信号发生器，2次至50次谐波发生器，以及各幅度调整电路和电子开关电路相连接；同时DSP控制单元的输出端口分别通过数据总线连接基波信号发生器和各谐波信号发生器输出模拟信号通过对应的幅度调整电路和电子开关电路连接到加法电路的输入端；加法电路的输出接口连接到功放电路；功放电路的一路输出通过反馈电路连接回DSP控制单元，功放电路的一路输出通过励磁变压器将波形加到试品上，所述谐波测量仪测量试品上的谐波分量；所述键盘输入电路的输出接口连接到DSP控制单元的一个输入端口。
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