CN204242013U - 一种程控单相交流电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种程控单相交流电源装置，包括晶体振荡器、SPWM信号产生器、全桥激励器、全桥变换器、隔离式AC/DC变换器、LC低通滤波器、升/降压自耦变压器、反馈电路、数字模拟转换器和误差放大器。本实用新型提供的程控单相交流电源装置，其整个单相交流电源装置体积小，输出波形失真度低(总谐波失真度≤1％)、工作频率范围宽(40Hz～500Hz)、工作电压范围宽(5V～300V)，并能对工作频率和电压程控，工作频率分辨率高达到0.1Hz、精度高于±0.002％、稳定度高于10^-5，工作电压分辨率高达0.1V、精度高于0.5％、稳定度高于0.5％，是程控单相交流电源装置领域中用户的最佳选择。

Description

一种程控单相交流电源装置

技术领域

本实用新型属于交流电源领域，具体涉及一种程控单相交流电源装置。

背景技术

在电路中只具有单一的交流电压，在电路中产生的电流和电压都以一定的频率随时间变化。比如在单个线圈的发电机中(即只有一个线圈在磁场中转动)，在线圈中只产生一个交变电动势，这样的交流电便是单相交流电。

本实用新型的发明人经过研究发现，目前在设备维修、仪表校准等场合需要使用失真度低、频率和电压可程控的单相交流电源。但是，能够供用户选择的单相交流电源不多，因而给用户的相关使用带来了不便。

实用新型内容

针对现有技术存在的能够供用户选择的单相交流电源不多，因而给用户的相关使用带来了不便的技术问题，本实用新型提供一种程控单相交流电源装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种程控单相交流电源装置，包括晶体振荡器、SPWM信号产生器、全桥激励器、全桥变换器、隔离式AC/DC变换器、LC低通滤波器、升/降压自耦变压器、反馈电路、数字模拟转换器和误差放大器；所述晶体振荡器产生SPWM信号产生器所需的时钟信号VCLK，所述SPWM信号产生器提供具有死区时间的单极性倍频SPWM信号SPWM1，所述全桥激励器在SPWM1的控制下输出适合全桥变换器高端侧和低端侧所需的SPWM激励信号SPWM2，所述全桥变换器在SPWM2的控制下将高压直流VDC变换为SPWM功率信号VO1，所述隔离式AC/DC变换器将交流市电VI变换为固定的高压直流VDC，所述LC低通滤波器将SPWM功率信号VO1中的载波信号滤出，得到正弦波信号VO2，所述升/降压自耦变压器进行升压或降压以扩展VO2的幅度变化范围，使整机输出电压幅度范围满足预设要求，所述反馈电路处理整机输出电压VO，获得与整机输出电压VO的幅度成正比列的反馈电压VB，所述数字模拟转换器将正弦波幅度设置信号DV转换为模拟的参考电压VR，所述误差放大器放大参考电压VR与反馈电压VB的差值，输出正弦波幅度控制电压VOAD。

本实用新型提供的程控单相交流电源装置，其整个单相交流电源装置体积小，输出波形失真度低(总谐波失真度≤1％)、工作频率范围宽(40Hz～500Hz)、工作电压范围宽(5V～300V)，并能对工作频率和电压程控，工作频率分辨率高达到0.1Hz、精度高于±0.002％、稳定度高于10^-5，工作电压分辨率高达0.1V、精度高于0.5％、稳定度高于0.5％，是程控单相交流电源装置领域中用户的最佳选择。

进一步，所述SPWM信号产生器包括输入端、输出端、正弦波频率设置端、正弦波幅度控制端和正弦波频率信号输出端，所述输入端与晶体振荡器连接，所述输出端与全桥激励器连接，所述正弦波频率设置端设置正弦波的频率，所述正弦波幅度控制端控制正弦波的幅度，所述正弦波频率信号输出端输出正弦波频率信号。

进一步，所述反馈电路包括衰减网络、双端/单端变换电路、精密全波整流电路、可变截止频率低通滤波器和锁相环倍频器；所述衰减网络对整机输出电压进行衰减，使衰减后的正弦电压VOA的幅度满足后续处理电路的要求，所述双端/单端变换电路将VOA双端信号变换为单端信号VODS，所述精密全波整流电路将信号VODS变换为全波整流信号VOAE，所述可变截止频率低通滤波器对信号VOAE进行滤波，以获取VOAE中平均分量，所述锁相环倍频器用于使低通滤波器振荡电压VOSC的频率为SPWM信号产生器输出的正弦波频率VF的某次谐波上，保证开关电容低通滤波器的截止频率随整机输出频率变化而变化。

进一步，所述可变截止频率低通滤波器选用多阶开关电容低通滤波器。

附图说明

图1是本实用新型提供的程控单相交流电源整机组成原理示意图。

图2是图1中反馈电路组成原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

请参考图1所示，本实用新型提供一种程控单相交流电源装置，包括晶体振荡器、SPWM信号产生器、全桥激励器、全桥变换器、隔离式AC/DC变换器、LC低通滤波器、升/降压自耦变压器(即升(降)压自耦变压器)、反馈电路、数字模拟转换器(即DAC)和误差放大器；所述晶体振荡器产生SPWM信号产生器所需的时钟信号VCLK，所述SPWM信号产生器提供具有死区时间的单极性倍频SPWM信号SPWM1，所述全桥激励器在SPWM1的控制下输出适合全桥变换器高端侧和低端侧所需的SPWM激励信号SPWM2，所述全桥变换器在SPWM2的控制下将高压直流VDC变换为SPWM功率信号VO1，所述隔离式AC/DC变换器将交流市电VI变换为固定的高压直流VDC，所述LC低通滤波器将SPWM功率信号VO1中的载波信号滤出，得到正弦波信号VO2，所述升/降压自耦变压器进行升压或降压以扩展VO2的幅度变化范围，使整机输出电压幅度范围满足预设要求，所述反馈电路处理整机输出电压VO，获得与整机输出电压VO的幅度成正比列的反馈电压VB，所述数字模拟转换器将正弦波幅度设置信号DV转换为模拟的参考电压VR，所述误差放大器放大参考电压VR与反馈电压VB的差值，输出正弦波幅度控制电压VOAD。

本实用新型提供的程控单相交流电源装置，其整个单相交流电源装置体积小，输出波形失真度低(总谐波失真度≤1％)、工作频率范围宽(40Hz～500Hz)、工作电压范围宽(5V～300V)，并能对工作频率和电压程控，工作频率分辨率高达到0.1Hz、精度高于±0.002％、稳定度高于10^-5，工作电压分辨率高达0.1V、精度高于0.5％、稳定度高于0.5％，是程控单相交流电源装置领域中用户的最佳选择。

具体地，请参考图1所示，本实用新型提供的程控单相交流电源装置中，所述晶体振荡器用于产生SPWM信号产生器所需的时钟信号VCLK，时钟信号VCLK的频率精度和频率稳定度决定了整机输出信号的频率精度和频率稳定度，时钟信号VCLK为逻辑电平信号。

所述SPWM信号产生器用于提供具有死区时间的单极性倍频SPWM信号SPWM1，SPWM1由正弦波调制信号与三角波载波信号通过自然取样形成；作为一种实施方式，所述SPWM信号产生器包括输入端、输出端、正弦波频率设置端、正弦波幅度控制端和正弦波频率信号输出端，所述输入端与晶体振荡器连接，所述输出端与全桥激励器连接，正弦波的频率由所述正弦波频率设置端的设置信号DF设置，DF为数字信号，由外部开关电路产生，整机输出信号的频率等于正弦波频率，通过改变正弦波频率设置信号DF的值，可使整机输出信号的频率在设计范围内变化；正弦波的幅度由正弦波幅度控制端的控制信号VOAD控制，VOAD为直流电压，VOAD越大正弦波幅度越大，整机输出信号的幅度与正弦波幅度有关，正弦波幅度越大整机输出信号的幅度越大；SPWM信号产生器还输出正弦波频率信号VF，VF为逻辑电平信号。

所述全桥激励器用于输出适合全桥变换器高端侧和低端侧所需的SPWM激励信号SPWM2。

所述全桥变换器用于在SPWM激励信号SPWM2的控制下，将高压直流VDC变换为SPWM功率信号VO1。

所述隔离式AC/DC变换器用于将交流市电VI变换为固定的高压直流VDC，隔离式AC/DC变换器具有PFC功能，能减小整机对市电网的干扰，并能提高整机的电磁兼容性能；隔离式AC/DC变换器的交流侧与直流侧经过电隔离，保证整机输出信号与市电信号电隔离，因此，为扩展输出信号幅度范围而使用的变压器就可以使用非隔离式自耦变压器，能有效地减小变压器的设计功率，从而保证整机具有较小的体积和较轻的重量。

所述LC低通滤波器用于将SPWM功率信号VO1中的载波信号滤出，得到正弦波信号VO2。

所述升(降)压自耦变压器：由于高压直流VDC为固定电压，虽然通过改变正弦波幅度控制信号VOAD能在一定范围内改变正弦波信号VO2，但仍不能满足整机输出电压幅度宽范围的要求，通过升(降)压自耦变压器的升压或降压作用，扩展VO2的幅度变化范围，使整机输出电压幅度范围满足设计要求。

所述反馈电路用于处理整机输出电压VO，获得与整机输出电压VO的幅度成正比列的反馈电压VB，反馈电路通过测量VO绝对值的平均值来获得VB，使用该方法能使系统具有较强的抗瞬时干扰的能力。请参考图2所示，作为一种实施方式，所述反馈电路包括衰减网络、双端/单端变换电路、精密全波整流电路、可变截止频率低通滤波器和锁相环倍频器；其中，所述衰减网络根据整机输出电压的幅度设置衰减量，对整机输出电压进行衰减，使衰减后的正弦电压VOA的幅度满足后续处理电路的要求；由于VOA是双端信号，为满足后续电路处理要求，经所述双端/单端变换电路后将VOA双端信号变换为单端信号VODS；VODS是正弦波信号，经所述精密全波整流电路后将信号VODS变换为全波整流信号VOAE，VOAE中的平均分量与整机输出电压VO的幅度成正比例关系；所述可变截止频率低通滤波器对信号VOAE进行滤波，以获取VOAE中平均分量，即为了取得VOAE中的平均分量，需使用低通滤波器对VOAE滤波，低通滤波器截止频率的选择至关重要：截止频率选择过高，系统瞬态响应时间快，但不利于滤除整机输出的最低频率信号，使VB中含有交流分量，VB中的交流分量会造成整机输出电压幅度的设置精度降低；截止频率选择过低，虽然利于滤除整机输出的最低频率信号，提高整机输出电压幅度的设置精度，但系统瞬态响应时间慢，系统变得不稳定。因而为了达到既能滤除整机输出的最低频率，又不能降低系统的稳定性，就需要使用衰减特性变化陡峭的低通滤波器，本实用新型使用多阶开关电容低通滤波器来满足该要求；但开关电容低通滤波器在通带内存在衰减波动，当整机输出的频率处于该衰减波动点时，系统变得不稳定，若能保证开关电容低通滤波器的截止频率随整机输出频率变化而变化，就可避开波动点，保证整机输出所有频率时系统的稳定，开关电容低通滤波器的截止频率与其振荡电压VOSC的频率成固定比例关系；所述锁相环倍频器用于使低通滤波器振荡电压VOSC的频率为SPWM信号产生器输出的正弦波频率VF的某次谐波上，保证开关电容低通滤波器的截止频率随整机输出频率变化而变化。

所述数字模拟转换器即DAC用于将正弦波幅度设置信号DV转换为模拟的参考电压VR；其中，DV为正弦波幅度设置信号，为数字信号，可由外部开关电路提供。

所述误差放大器用于放大参考电压VR与反馈电压VB的差值，输出正弦波幅度控制电压VOAD。

本实用新型提供的程控单相交流电源装置中，其整机输出电压稳定原理为：当整机输出电压VO因某种原因变小(如负载阻抗减小)时，通过反馈电路得到的反馈电压VB也变小；参考电压VR由正弦波幅度设置信号DV确定，因而保持不变。当反馈电压VB变小时，误差放大器输出的正弦波幅度控制电压VOAD变大，正弦波幅度控制电压VOAD变大又使整机输出电压VO变大，结果整机输出电压VO基本不变(VO减小的幅度在指标要求的范围内)。

同时，其整机输出电压设置原理为：通过外部开关电路设置正弦波幅度设置信号DV，经DAC变换后，得到所需的参考电压VR。由于误差放大器的增益很高，反馈电压VB与参考电压VR近似相等，而反馈电压VB与整机输出电压VO成正比列，所以设置参考电压VR可以设置整机输出电压VO。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (4)

1.一种程控单相交流电源装置，其特征在于，包括晶体振荡器、SPWM信号产生器、全桥激励器、全桥变换器、隔离式AC/DC变换器、LC低通滤波器、升/降压自耦变压器、反馈电路、数字模拟转换器和误差放大器；所述晶体振荡器产生SPWM信号产生器所需的时钟信号VCLK，所述SPWM信号产生器提供具有死区时间的单极性倍频SPWM信号SPWM1，所述全桥激励器在SPWM1的控制下输出适合全桥变换器高端侧和低端侧所需的SPWM激励信号SPWM2，所述全桥变换器在SPWM2的控制下将高压直流VDC变换为SPWM功率信号VO1，所述隔离式AC/DC变换器将交流市电VI变换为固定的高压直流VDC，所述LC低通滤波器将SPWM功率信号VO1中的载波信号滤出，得到正弦波信号VO2，所述升/降压自耦变压器进行升压或降压以扩展VO2的幅度变化范围，使整机输出电压幅度范围满足预设要求，所述反馈电路处理整机输出电压VO，获得与整机输出电压VO的幅度成正比列的反馈电压VB，所述数字模拟转换器将正弦波幅度设置信号DV转换为模拟的参考电压VR，所述误差放大器放大参考电压VR与反馈电压VB的差值，输出正弦波幅度控制电压VOAD。

2.根据权利要求1所述的程控单相交流电源装置，其特征在于，所述SPWM信号产生器包括输入端、输出端、正弦波频率设置端、正弦波幅度控制端和正弦波频率信号输出端，所述输入端与晶体振荡器连接，所述输出端与全桥激励器连接，所述正弦波频率设置端设置正弦波的频率，所述正弦波幅度控制端控制正弦波的幅度，所述正弦波频率信号输出端输出正弦波频率信号。

3.根据权利要求1所述的程控单相交流电源装置，其特征在于，所述反馈电路包括衰减网络、双端/单端变换电路、精密全波整流电路、可变截止频率低通滤波器和锁相环倍频器；所述衰减网络对整机输出电压进行衰减，使衰减后的正弦电压VOA的幅度满足后续处理电路的要求，所述双端/单端变换电路将VOA双端信号变换为单端信号VODS，所述精密全波整流电路将信号VODS变换为全波整流信号VOAE，所述可变截止频率低通滤波器对信号VOAE进行滤波，以获取VOAE中平均分量，所述锁相环倍频器用于使低通滤波器振荡电压VOSC的频率为SPWM信号产生器输出的正弦波频率VF的某次谐波上，保证开关电容低通滤波器的截止频率随整机输出频率变化而变化。

4.根据权利要求3所述的程控单相交流电源装置，其特征在于，所述可变截止频率低通滤波器选用多阶开关电容低通滤波器。