基于自激振蕩的三相交流電源的設(shè)計(jì)研究

汪利華

摘要：本文主要研究了閉合電路自激振蕩條件下的三相交流電源的設(shè)計(jì)。

Abstract： This paper mainly studies the design of three-phase ac power supply under the condition of self-excitation of closed circuit.

關(guān)鍵詞：自激振蕩；移相電路；晶體管；放大倍數(shù)

Key words： self-excited oscillation；phase shifting circuit；transistor；magnification

中圖分類號(hào)：TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）05-0137-02

1 概述

在當(dāng)前信息化、自動(dòng)化的時(shí)代，各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)層出不窮，充斥在我們的生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，我國在自動(dòng)化信息化方面也走在世界的前列。在電子產(chǎn)品和自動(dòng)化控制系統(tǒng)的測量和應(yīng)用方面，三相交流電源是一種常見的應(yīng)用非常普遍的信號(hào)源，在產(chǎn)品研發(fā)、調(diào)試、后期故障檢測等方面被大量應(yīng)用，通過三相交流電源的信號(hào)輸入來檢測產(chǎn)品對不同電壓下的表現(xiàn)特征來分析該產(chǎn)品自身的屬性或者檢測故障，亦或是通過信號(hào)驅(qū)動(dòng)來完成產(chǎn)品功能的鑒定。

2 三相交流電源設(shè)計(jì)對比

三相交流電源設(shè)計(jì)主要思路是生成頻率、幅度穩(wěn)定的正弦波電源信號(hào)，目前常用的方法是借助可編程器件，如單片機(jī)、FPGA等來設(shè)計(jì)三相交流電源信號(hào)發(fā)生器。

利用單片機(jī)生成三相交流電源信號(hào)的設(shè)計(jì)方案，是利用單片機(jī)按照固定的頻率在輸出端口輸出預(yù)期的正弦波一個(gè)完整周期值對應(yīng)的二進(jìn)制，而通過D/A轉(zhuǎn)換電路將其變成正弦波模擬信號(hào)，通過運(yùn)算放大器、功率放大器將電壓值和輸出功率進(jìn)行方法，從而生成預(yù)期的三相交流電源信號(hào)。此種設(shè)計(jì)方案頻率和電源信號(hào)幅度可控，而且在單片機(jī)中進(jìn)行編程可將預(yù)期的數(shù)字變量初始化，借助單片機(jī)定時(shí)器器件來進(jìn)行變量輸出，最終實(shí)現(xiàn)三相交流電源信號(hào)的輸出。

基于FPGA可編程器件相對比較容易，F(xiàn)PGA內(nèi)部通過DDS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)直接頻率合成，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器直接產(chǎn)生三相交流電源信號(hào)源。利用FPGA設(shè)計(jì)三相交流電源信號(hào)可以跨過正弦波信號(hào)的內(nèi)部流程實(shí)現(xiàn)過程，利用其集成模塊直接產(chǎn)生電壓、功率可調(diào)的三相正弦電源信號(hào)，通過編程人員直接控制數(shù)控振蕩器即可產(chǎn)生預(yù)期的信號(hào)。

無論是通過單片機(jī)還是通過FPGA，這些三線交流電源信號(hào)設(shè)計(jì)方案都需要通過編程來實(shí)現(xiàn)，某種程度上設(shè)計(jì)成本將會(huì)加大，如果大批量生產(chǎn)來說材料成本也比較高。針對單一頻率的三相交流電源信號(hào)源的設(shè)計(jì)，可以單純依靠電路純硬件設(shè)計(jì)，通過電路回路的自激振蕩來生成電源信號(hào)，通過硬件設(shè)備的自身屬性值來約束三相交流電源信號(hào)的輸出幅值，從而可以簡單地生成三相交流電源信號(hào)。

3 三相交流信號(hào)電源設(shè)計(jì)方案的基本原理

電路自激振蕩是一種非常特殊的電路現(xiàn)象，在一個(gè)閉環(huán)的電路中，在滿足一定的條件下，閉合電路中會(huì)存在一個(gè)固定頻率和固定復(fù)制的正弦交流信號(hào)，如果將該信號(hào)分三次120度移相后輸出，即可得到三相交流電源信號(hào)。在閉合的電路中，能夠發(fā)生電路自激振蕩的條件要滿足三方面的要求：①電路回路的起振要求，從閉合電路的移相輸入點(diǎn)處，在振蕩穩(wěn)定后其反饋電壓的增益指數(shù)與反饋系數(shù)能夠大于1，即|AF|>1，從而不斷增強(qiáng)其閉合電路中的信號(hào)振蕩幅值；②幅值平衡的要求，在振蕩穩(wěn)定時(shí)，從閉合電路的移相輸入點(diǎn)處，在振蕩穩(wěn)定后其反饋電壓的增益指數(shù)與反饋系數(shù)相互抵消，即|AF|=1；③相位平衡的要求，在振蕩穩(wěn)定后，在閉合電路的移相輸入點(diǎn)處，增益輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的相位差必須為一個(gè)完整周期的整數(shù)倍，即ψA+ψF=2kπ。

基于這種思路，設(shè)計(jì)如圖1的基于自激振蕩的三相交流信號(hào)電源的設(shè)計(jì)方案原理圖。

根據(jù)最初的三相交流電源信號(hào)設(shè)計(jì)思路，①電路為閉合回路，在圖1顯示的硬件設(shè)計(jì)方案為閉合回路，為自激振蕩奠定了基礎(chǔ)；②為了滿足三相交流電源信號(hào)的輸出，在閉合回路中添加移相120度的移相電路，三個(gè)移相之后即為360度移相，如果能夠自激振蕩穩(wěn)定，那么在移相之后或者之前作為三相交流電源信號(hào)的輸出，即可得到三個(gè)穩(wěn)定的相位相差120度的三相交流電源信號(hào)；③電路起振條件，三個(gè)移相電路不帶有放大功能，即移相之后，得到一個(gè)相位差別為360度的相同幅度和頻率的輸入信號(hào)，在電路自激振蕩穩(wěn)定之前，放大電路放大倍數(shù)大于1，不帶有移相功能或者移相為360度的整數(shù)倍，那么在放大之后，第一個(gè)移相電路的輸入端，其反饋信號(hào)的幅值就會(huì)大于輸入信號(hào)的幅值，閉合電路中會(huì)在自激振蕩穩(wěn)定之前一直會(huì)放大；④電路自激振蕩穩(wěn)定條件，在達(dá)到預(yù)期的頻率和幅值后，自激振蕩穩(wěn)定，此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值應(yīng)該相等，那么此時(shí)就要求放大電路的放大倍數(shù)等于1，此時(shí)就需要外穩(wěn)副電路的作用下和放大器內(nèi)部電路作用下來調(diào)節(jié)放大電路的放大倍數(shù)，使其變成1之后，最終自激穩(wěn)定；⑤相位平衡條件，整個(gè)閉合電路輸入信號(hào)和反饋信號(hào)相位差為360度，即為2π，符合相位平衡條件。

基于以上分析，設(shè)計(jì)思考的幾個(gè)條件都能過滿足，通過三個(gè)移相電路得到相位相差120度的三相交流電源信號(hào)，放大電路能夠隨著自激電路的信號(hào)幅值變化而逐漸變小，最后在放大倍數(shù)等于1的時(shí)候穩(wěn)定即可，最終就能得到穩(wěn)定的三相交流電源信號(hào)的輸出。

4 具體電路的理論分析與計(jì)算

4.1 移相電路

在上述的基于自激振蕩的三相交流電源的設(shè)計(jì)中，移相電路均為120度，所以可以采用普通的放大器，使其放大倍數(shù)為1，但是在正向輸入端設(shè)計(jì)添加電容器即可實(shí)現(xiàn)電路移相。在移相電路的設(shè)計(jì)中，在負(fù)相輸入連接一個(gè)電阻為2R值的電阻與輸入電壓進(jìn)行相連，正相輸入經(jīng)過電容C與輸入電壓相連，而后連接電阻R接地，輸入電壓經(jīng)過電阻2R值反饋到負(fù)相輸入端。假如Ui為輸入電壓，Uo為輸出電壓，對于負(fù)相輸入，其放大計(jì)算公式為Uo=-Ui，而該電路的正向輸入，其電壓的放大倍數(shù)為Uo=（1+ ） Ui，二者相加即為該放大器的放大倍數(shù)，為Au=-，寫成模和相角的形式：endprint

為了滿足電路自激振蕩的要求，該電路移相角度為120，所以當(dāng)arctan（ωRC）=60°即可滿足要求，經(jīng)過計(jì)算得出：RC=。

上述公式中，f為振蕩頻率，如果想得到想要的頻率，即可讓RC的乘積滿足上述公示要求即可。

4.2 放大電路

放大電路要實(shí)現(xiàn)的功能包括兩方面，第一是在電路起振時(shí)放大倍數(shù)大于1，在電路穩(wěn)定后放大倍數(shù)等于1。在閉合電路中，自激振蕩在起振時(shí)電路中的信號(hào)幅值比較小，在自激振蕩穩(wěn)定時(shí)，電路中的信號(hào)幅值比較大，所以通過在放大器的輸入端連接一個(gè)可以隨閉合電路中信號(hào)幅值進(jìn)行變化而起阻值進(jìn)行變化的電阻，即可實(shí)現(xiàn)放大器放大倍數(shù)的變化。如圖2所示，為放大電路的設(shè)計(jì)圖。

如圖2中所示，該放大器在正向輸入端連接電阻R2與輸入電壓向量，而后連接R1電阻接地，此時(shí)就使得實(shí)際的輸入電壓經(jīng)過這兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)降壓輸入；負(fù)向輸入端連接R'電阻與晶體管T和R''并聯(lián)的電阻接地，輸出端經(jīng)過Rf電阻反饋到負(fù)向輸入端。假設(shè)晶體管T和R''并聯(lián)后，其電阻值為R0，則該電路的放大倍數(shù)為：

可知，該放大倍數(shù)永遠(yuǎn)大于1。

但是在電壓輸入端進(jìn)行過R1與R2電阻降壓輸入，如果二者相等，那么實(shí)際輸入到該放大器的電壓則是閉合電路振蕩電壓幅值的一半，所以，只有當(dāng)該放大器的放大倍數(shù)大于2的時(shí)候才能滿足起振條件。電路自激穩(wěn)定的時(shí)候，等于2即可使其放大倍數(shù)等于1。經(jīng)過計(jì)算，在電路自激起振階段，需要滿足R'>R0，在電路穩(wěn)定階段，需要滿足R=R0即可實(shí)現(xiàn)自激振蕩。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以選用N通道晶體管2SK30來實(shí)現(xiàn)對該放大電路的放大倍數(shù)控制，當(dāng)根據(jù)對該晶體管的自身特性進(jìn)行研究，當(dāng)其漏極與地電壓為0時(shí)，其源極和柵極的電阻值為471Ω，隨著漏極對地電壓拜年話，其另外兩極的電阻值也發(fā)生變化，根據(jù)這一特性即可實(shí)現(xiàn)電壓變化時(shí)設(shè)備電阻的變化，將電路中的振蕩信號(hào)與該晶體管進(jìn)行相連，即可輕松實(shí)現(xiàn)其電阻值變化，最終影響到放大器的放大倍數(shù)，促使閉合電路自激振蕩。

5 總結(jié)

基于自激振蕩的三相交流電源的設(shè)計(jì)，是以閉合電路自激振蕩為基本原理，通過移相、放大、幅值控制等功能來使閉合電路滿足自激振蕩的需求，在選擇不同值的器件來使其產(chǎn)生固定頻率和幅值的三相交流電源，從而滿足各種設(shè)備在生產(chǎn)過程中的需求。

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