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一种大量程宽范围变频功率标准源研究 　　【摘要】当前，变频技术已经获得了广泛使用，但是变频电量的计量却是空白。本文提出了一种用于计量和测试产品性能的大量程宽范围变频功率标准源的设计。采用DDS作为信号发生器，分别产生一定频率的电压信号和电流信号，信号控制全桥开关功率放大器，再驱动线性功率放大器，分别输出电压和电流，并对电压电流进行测量并反馈回控制器，用PI算法进行闭环控制，从而使功率源输出电压及输出电流的真有效值保持稳定。实验结果表明，系统运行稳定，电压电流输出精度高，达到了0.1级。 　　【关键词】功率标准源；变频；DDS 　　 　　 1.概述 　　 当前，变频技术已经获得了广泛使用，但是变频电量的计量却是空白。变频功率标准源是提供精确稳定的变频交流电压、电流和功率信号的基础测量仪器，可用来校准各种电压、电流和功率仪表和传感器，在国民经济建设中发挥着重要的作用[1-3]。用于计量和产品试验等领域的功率源对输出波形要求较高，要求输出完整的正弦波信号，对于正弦波的失真度有一定的限制。而用于电能表计量时，其功率源输出的不是真实的功率，而是利用产生“虚功率”的方法来实现电能的计量，并且要求这种交流功率源的频率、电流、电压、相位都能够独立调节[4，5]。 　　 目前，国内外对变频功率标准源的报导不多，产品很少，仅有美国fluke公司宣称6100B可以作为变频功率标准源，但是其电压电流范围很小，频率范围也很窄。针对这一需求，本文按照0.1级标准设计的变频功率标准源如下：输出的频率范围1-400Hz；输出电压范围0-10000V；输出电流范围0-500A；频率、电压、电流和相位能方便的设置，从而使得功率的大小和功率因数可调。 　　 2.总体构成及原理 　　 变频功率标准源采用传统的设计思想，利用产生“虚功率”的方法来实现变频功率的输出，所设计的系统如图1所示。系统以主控制器为核心，负责接收人机界面输入的参数和采集电压、电流的实际输出值，经过计算后形成控制量分别输给电压和电流信号发生器。 　　 其中，人机界面由按键、旋钮和液晶屏等组成，负责接收用户输入的设置参数和显示输出结果??电压、电流信号发生器接收主控制器的控制信号进而产生真实的电压、电流信号推动功放输出。 　　 3.关键技术 　　 3.1 精密频率控制技术 　　 正弦波往往通过SPWM方式产生的，频率经过定时器分频。要产生1Hz～400Hz的频率，传统做法往往采用锁相频率合成的方法，其运算公式： 　　 （1） 　　 式中为定时器需要的时钟频率，为系统的基准时钟频率。 　　 由于传统的信号发生器都是采用模拟的方法实现，稳定性差、调试困难。本设计采用基于DDS（Direct Digital Synthesizer）技术的数字信号发生器，DDS是近年来发展起来的一种新的频率合成技术，具有相对带宽很大、低成本、低功耗、高分辨率、快速转换时间（小于20ns）、频率切换时相位连续、可以产生任意波形、全数字化结构便于集成、可程控等优点。DDS能够与计算机技术紧密结合在一起，克服了模拟频率合成和锁相频率合成等传统频率合成技术电路复杂、设备体积较大、成本较高的不足。本设计中采用DDS信号发生器极大地提高了变频功率标准源输出的灵活性和稳定性[6]。 　　 3.2 大电流功率放大器 　　 传统的信号源一般采用模拟功放，效率低、可靠性差、带载能力不强，使其无法满足高电压或大电流的输出要求[7，8]。D类功放利用极高频率的转换开关电路来放大信号，具有效率高，体积小的优点。本文中，变频功率标准源采用了开关型D类功放+线性功放构成的复合功放作为功率输出，具有效率高、带载能力强、波形失真小等特点，极大地提高了功放这一易损部分的可靠性，其原理图2所示。通过输出端并联技术，使得变频功率标准源可以输出大至数千安培的电流。 　　 图2中，T1-T4是传统的全桥逆变电路，选用IGBT全控功率元件，Q1、Q2线性调整管，选用MOSFET大电流调整管，Ez1、Ez2是电容，Lz1、Lz2是滤波电感，Cz1是滤波电容，Ro是负载。原理如下，全桥逆变电路采用SPWM逆变方式输出SPWM波，经过Lz1、Lz2和Cz1构成的低通滤波器滤除高次谐波后成为比较干净的正弦电压波，最后通过Q1、Q2线性放大输出电流。依靠Ez1和Ez2两个输入直流母线支撑电容的分压作用产生零位电压。 　　 3.3 高电压功率放大器 　　 目前交流稳压调压方式大致可以分为三种：一是机械调压稳压式；二是脉宽调制(PWM)逆变稳压方式；三是线性放大逆变方式。这三种工作方式各有优缺点：机械调压稳压式反应速度慢，且只能输出与市电频率一致的电压；脉宽调制(PWM)逆变稳压方式输出功率范围宽、效率高、输出电压中高频噪声和波形失真较大，