一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 109412424 A(43)申请公布日 2019.03.01

(21)申请号 201811572616.0(22)申请日 2018.12.21

(71)申请人 东文高压电源(天津)股份有限公司

地址 300220 天津市河西区洞庭路24号(72)发明人 周思齐　刘申　仲亚娜　殷生鸣　

于亮　申晓景　张松　(74)专利代理机构 天津中环专利商标代理有限

公司 12105

代理人 李美英(51)Int.Cl.

H02M 5/42(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图1页

(54)发明名称

一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法(57)摘要

本发明涉及一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法，当交流AC220V输入后，通过AC/DC转化电路，为功率放大电路提供供电，功率放大电路输出后连接至变压器初级，通过变压器升压后输出，输出端连接避雷器阀片。同时从功率放大电路输出端采集电压、电流信号，经过采集信号处理电路反馈至单片机信号处理电路，通过设定信号与反馈信号比较，输出0～1V的正弦波，连接至功率放大电路从而实现电路闭环控制。该电源为氧化锌避雷器电压、电流特性检测提供高压，电源幅度从0V起调至交流10kv有效值，有效输出功率可达100W，输出频率精度全程可达0.05%，频率可从45Hz调至700Hz。

CN 109412424 ACN 109412424 A

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1.一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路，包括AC/DC变换电路、功率放大电路、变压器、单片机信号处理电路，其特征在于：还包括采集信号处理电路；所述AC/DC变换电路与功率放大电路相连，功率放大电路分别与单片机信号处理电路、变压器及采集信号处理电路相连，采集信号处理电路与单片机信号处理电路连接，变压器次级直接输出高压；

所述采集信号处理电路具体连接为：电阻R4一端连接功率放大电路输出端Vo和本电路的开关S1一端，电阻R4另一端分别与电阻R5一端、开关S1另一端及变压器TRF1初级一端相连，电阻R5另一端分别与电容C4一端和电位器W1的1脚相连，电容C4另一端与地相连，电位器W1的2脚和3脚短接后分别与放大器U2A的2脚、电阻R6和电阻R7的一端相连，电阻R7另一端分别与二极管D2负极、电阻R8一端相连，电阻R6另一端分别与二极管D3正极和放大器U2B的5脚相连，二极管D3负极与二极管D2正极相连后再与放大器U2A的1脚相连，放大器U2A的3脚和4脚与地相连，电阻R8另一端分别与电阻R9一端和放大器U2B的6脚相连，电阻R9另一端分别与放大器U2B的7脚、电阻R10一端和电位器W3的1脚连接，电阻R10另一端分别与放大器U3A的2脚、电阻R11和电容C5的一端连接，电容C5、电阻R11另一端分别与放大器U3A的1脚、电阻R12、电阻R13的一端及电位器W3的3脚连接，放大器U3的3脚和4脚与地相连，电阻R12另一端输出信号Vdis与单片机信号处理电路中Vdis相连，电位器W3的2脚与电阻R17一端连接，电阻R13另一端分别与电容C6一端、放大器U3B的6脚连接，电容C6另一端分别与放大器U3B的7脚、电位器W2的1脚连接，电位器W2的3脚与地相连，电位器W2的2脚与功率放大电路中芯片U1的3脚相连，放大器U3B的5脚分别与电容C7和电阻R14一端相连，电容C7另一端与地相连，电阻R14另一端与单片机信号处理电路中芯片U11的6脚相连，电阻R17另一端分别与电容C8、电阻R16、电阻R18、电阻R19的一端相连，电容C8另一端分别与电阻R15一端及变压器TRF1初级另一端相连，电阻R15和电阻R18另一端与地相连，电阻R19另一端与放大器U4A的3脚相连，电阻R16另一端接电位器W4的2脚，电位器W4的1脚与地相连，电位器W4的3脚与功率放大电路中芯片U1的8脚相连，放大器U4A的4脚与地相连，放大器U4A的2脚与电位器W5的2脚相连，电位器W5的1脚与地相连，电位器W5的3脚通过电阻R20分别与二极管D4正极、电阻R21一端相连，二极管D4负极与放大器U4A的1脚连接，电阻R21另一端分别与电阻R22、电容C9的一端及放大器U4B的6脚相连，电阻R22和电容C9另一端与地相连，放大器U4B的5脚与地相连，放大器U4B的7脚通过电阻R24输出电流监测信号Idis；

继电器Relay和电阻R23一端分别与AC/DC变换电路中+24V相连，继电器Relay另一端与三极管T1集电极相连，电阻R23另一端与三极管T1基极相连，三极管T1发射极与地相连；

放大器U2A、放大器U2B、放大器U3 A、放大器U3 B、放大器U4 A、放大器U4 B的型号均为LM358。

2.一种采用权利要求1所述的幅度、频率可调的高压正弦波电源电路的实现方法，其特征在于：当交流AC220V输入后，通过AC/DC变换电路转化成DC24V和DC±48V，DC±48V为功率放大电路提供供电，DC24V再经过DC/DC转化为DC12V后，为放大器和单片机信号处理电路提供供电，功率放大电路输出后连接至变压器初级，通过变压器升压后输出，输出端连接避雷器阀片，同时从功率放大电路输出端采集电压、电流信号，经过采集信号处理电路反馈至单片机信号处理电路中，通过设定信号与反馈信号比较，单片机信号处理电路通过芯片U7的14脚输出0～1V的正弦波，通过程序汇编输入到单片机信号处理电路芯片U6中设置需要的频率，并通过采集信号处理电路的电位器W5调节输出幅度增益，正弦波经过功率放大电路

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芯片U1的1脚后，输入至功率放大电路的主电路中，通过该电路将输入的正弦波信号放大后输出，放大倍数为36倍；在功率放大电路的输出端对交流信号采集和处理，采集的标准正弦波信号通过绝对值放大电路全波整流后得到负压信号，再经过零比较器后输出DC4V的电压反馈信号Vdis，通过调节电位器W1调节Vdis电压幅值，Vdis输入至单片机信号电路，单片机信号处理电路输出Vadj信号与Vdis作为放大器U3B的两个比较信号，比较结果通过放大器U3B的7脚反馈至功率放大电路芯片U1的3脚后进而调控功率放大电路的输出状态，形成完整的控制回路，这种AC变DC、DC变AC交直流变换的信号处理方式，使得采样信号都是低电压信号，没有高压的干扰，使采样信号更稳定，控制闭环电路更可靠。

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一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种用在电力系统防雷领域，为氧化锌避雷器阀片电压、电流特性检测提供高压的幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法。背景技术

[0002]氧化锌避雷器由于其良好的非线性特性，在电力系统中获得广泛应用。近年来，氧化锌避雷器在运行中因其密封不良而导致受潮等原因引起爆炸，进而引发大面积停电事故时有发生。通过在线监测和带电测试的结果，由此确定是否停电进行直流试验，进一步确定氧化锌避雷器是否存在受潮等缺陷。[0003]但是，直流试验虽然灵敏有效，但也存在瓶颈，氧化锌材料的直流特性和交流特性不同，且直流与交流在避雷器内部的电压分布情况也不同，单一的直流测试不能检测运行电压下的绝缘状况，因此，对氧化锌避雷器进行交流泄漏测试显得非常重要。[0004]市面上为氧化锌避雷器提供交流的高压电源电路，由于制作难度大，频率大都不可调节，使得交流测试全面性、准确性降低。发明内容

[0005]鉴于现有技术的状况及目前电力系统防雷领域的迫切需求，本发明提供一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路及实现方法，该电源电路为氧化锌避雷器阀片提供交流电压，交流电压的幅度、频率均可调节，使得避雷器的交流测试更全面，结果更精确。[0006]本发明为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路，包括AC/DC变换电路、功率放大电路、变压器、单片机信号处理电路，其特征在于：还包括采集信号处理电路；所述AC/DC变换电路与功率放大电路相连，功率放大电路分别与单片机信号处理电路、变压器及采集信号处理电路相连，采集信号处理电路与单片机信号处理电路连接，变压器次级直接输出高压；

所述采集信号处理电路具体连接为：电阻R4一端连接功率放大电路输出端Vo和本电路的开关S1一端，电阻R4另一端分别与电阻R5一端、开关S1另一端及变压器TRF1初级一端相连，电阻R5另一端分别与电容C4一端和电位器W1的1脚相连，电容C4另一端与地相连，电位器W1的2脚和3脚短接后分别与放大器U2A的2脚、电阻R6和电阻R7的一端相连，电阻R7另一端分别与二极管D2负极、电阻R8一端相连，电阻R6另一端分别与二极管D3正极和放大器U2B的5脚相连，二极管D3负极与二极管D2正极相连后再与放大器U2A的1脚相连，放大器U2A的3脚和4脚与地相连，电阻R8另一端分别与电阻R9一端和放大器U2B的6脚相连，电阻R9另一端分别与放大器U2B的7脚、电阻R10一端和电位器W3的1脚连接，电阻R10另一端分别与放大器U3A的2脚、电阻R11和电容C5的一端连接，电容C5、电阻R11另一端分别与放大器U3A的1脚、电阻R12、电阻R13的一端及电位器W3的3脚连接，放大器U3的3脚和4脚与地相连，电阻R12另一端输出信号Vdis与单片机信号处理电路中Vdis相连，电位器W3的2脚与电阻R17一端连接，电阻R13另一端分别与电容C6一端、放大器U3B的6脚连接，电容C6另一端分别与放大器

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U3B的7脚、电位器W2的1脚连接，电位器W2的3脚与地相连，电位器W2的2脚与功率放大电路中芯片U1的3脚相连，放大器U3B的5脚分别与电容C7和电阻R14一端相连，电容C7另一端与地相连，电阻R14另一端与单片机信号处理电路中芯片U11的6脚相连，电阻R17另一端分别与电容C8、电阻R16、电阻R18、电阻R19的一端相连，电容C8另一端分别与电阻R15一端及变压器TRF1初级另一端相连，电阻R15和电阻R18另一端与地相连，电阻R19另一端与放大器U4A的3脚相连，电阻R16另一端接电位器W4的2脚，电位器W4的1脚与地相连，电位器W4的3脚与功率放大电路中芯片U1的8脚相连，放大器U4A的4脚与地相连，放大器U4A的2脚与电位器W5的2脚相连，电位器W5的1脚与地相连，电位器W5的3脚通过电阻R20分别与二极管D4正极、电阻R21一端相连，二极管D4负极与放大器U4A的1脚连接，电阻R21另一端分别与电阻R22、电容C9的一端及放大器U4B的6脚相连，电阻R22和电容C9另一端与地相连，放大器U4B的5脚与地相连，放大器U4B的7脚通过电阻R24输出电流监测信号Idis；

继电器Relay和电阻R23一端分别与AC/DC变换电路中+24V相连，继电器Relay另一端与三极管T1集电极相连，电阻R23另一端与三极管T1基极相连，三极管T1发射极与地相连；

放大器U2A、放大器U2B、放大器U3 A、放大器U3 B、放大器U4 A、放大器U4 B的型号均为LM358。

[0007]一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路的实现方法，其特征在于：当交流AC220V输入后，通过AC/DC变换电路转化成DC24V和DC±48V，DC±48V为功率放大电路提供供电，DC24V再经过DC/DC转化为DC12V后，为放大器和单片机信号处理电路提供供电，功率放大电路输出后连接至变压器初级，通过变压器升压后输出，输出端连接避雷器阀片，同时从功率放大电路输出端采集电压、电流信号，经过采集信号处理电路反馈至单片机信号处理电路中，通过设定信号与反馈信号比较，单片机信号处理电路通过芯片U7的14脚输出0～1V的正弦波，通过程序汇编输入到单片机信号处理电路芯片U6中设置需要的频率，并通过采集信号处理电路的电位器W5调节输出幅度增益，正弦波经过功率放大电路芯片U1的1脚后，输入至功率放大电路的主电路中，通过该电路将输入的正弦波信号放大后输出，放大倍数为36倍；在功率放大电路的输出端对交流信号采集和处理，采集的标准正弦波信号通过绝对值放大电路全波整流后得到负压信号，再经过零比较器后输出DC4V的电压反馈信号Vdis，通过调节电位器W1调节Vdis电压幅值，Vdis输入至单片机信号电路，单片机信号处理电路输出Vadj信号与Vdis作为放大器U3B的两个比较信号，比较结果通过放大器U3B的7脚反馈至功率放大电路芯片U1的3脚后进而调控功率放大电路的输出状态，形成完整的控制回路，这种AC变DC、DC变AC交直流变换的信号处理方式，使得采样信号都是低电压信号，没有高压的干扰，使采样信号更稳定，控制闭环电路更可靠。[0008]本发明的有益效果是：本发明是一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路，可以有效提高交流测试的全面性和准确性，电源幅度从0V起调至交流10kv（有效值），有效输出功率可达100W，输出频率精度全程可达0.05%，频率调节范围宽，从45Hz可调至700Hz，宽范围调节可满足交流测试时多种测试需求，可兼顾多种定幅、定频的正弦波电源，可谓一机多用，使交流测试更便捷有效，从而提高电力系统故障排查效率和准确率，为氧化锌避雷器的改进提供理论依据。

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附图说明

[0009]图1为本发明的原理框图；

图2为本发明电路的原理图。

具体实施方式[0010]如图1、图2所示，一种幅度、频率可调的高压正弦波电源电路，电路包括AC/DC变换电路、功率放大电路、变压器、单片机信号处理电路，其特征在于：还包括采集信号处理电路。所述AC/DC变换电路与功率放大电路相连，功率放大电路分别与单片机信号处理电路、变压器及采集信号处理电路相连，采集信号处理电路与单片机信号处理电路连接，变压器次级直接输出高压。

[0011]如图1和图2所示，采集信号处理电路具体连接为：电阻R4一端连接功率放大电路输出端Vo和本电路的开关S1一端，电阻R4另一端分别与电阻R5一端、开关S1另一端及变压器TRF1初级一端相连，电阻R5另一端分别与电容C4一端和电位器W1的1脚相连，电容C4另一端与地相连，电位器W1的2脚和3脚短接后分别与放大器U2A的2脚、电阻R6和电阻R7的一端相连，电阻R7另一端分别与二极管D2负极、电阻R8一端相连，电阻R6另一端分别与二极管D3正极和放大器U2B的5脚相连，二极管D3负极与二极管D2正极相连后再与放大器U2A的1脚相连，放大器U2A的3脚和4脚与地相连，电阻R8另一端分别与电阻R9一端和放大器U2B的6脚相连，电阻R9另一端分别与放大器U2B的7脚、电阻R10一端和电位器W3的1脚连接，电阻R10另一端分别与放大器U3A的2脚、电阻R11和电容C5的一端连接，电容C5、电阻R11另一端分别与放大器U3A的1脚、电阻R12、电阻R13的一端及电位器W3的3脚连接，放大器U3的3脚和4脚与地相连，电阻R12另一端输出信号Vdis与单片机信号处理电路中Vdis相连，电位器W3的2脚与电阻R17一端连接，电阻R13另一端分别与电容C6一端、放大器U3B的6脚连接，电容C6另一端分别与放大器U3B的7脚、电位器W2的1脚连接，电位器W2的3脚与地相连，电位器W2的2脚与功率放大电路中芯片U1的3脚相连，放大器U3B的5脚分别与电容C7和电阻R14一端相连，电容C7另一端与地相连，电阻R14另一端与单片机信号处理电路中芯片U11的6脚相连，电阻R17另一端分别与电容C8、电阻R16、电阻R18、电阻R19的一端相连，电容C8另一端分别与电阻R15一端及变压器TRF1初级另一端相连，电阻R15和电阻R18另一端与地相连，电阻R19另一端与放大器U4A的3脚相连，电阻R16另一端接电位器W4的2脚，电位器W4的1脚与地相连，电位器W4的3脚与功率放大电路中芯片U1的8脚相连，放大器U4A的4脚与地相连，放大器U4A的2脚与电位器W5的2脚相连，电位器W5的1脚与地相连，电位器W5的3脚通过电阻R20分别与二极管D4正极、电阻R21一端相连，二极管D4负极与放大器U4A的1脚连接，电阻R21另一端分别与电阻R22、电容C9的一端及放大器U4B的6脚相连，电阻R22和电容C9另一端与地相连，放大器U4B的5脚与地相连，放大器U4B的7脚通过电阻R24输出电流监测信号Idis；

继电器Relay和电阻R23一端分别与AC/DC变换电路中+24V相连，继电器Relay另一端与三极管T1集电极相连，电阻R23另一端与三极管T1基极相连，三极管T1发射极与地相连。[0012]采集信号处理电路芯片选用比较器LM358，选用时应考虑其失调电压，失调电压较大的芯片，需要加归零补偿电路（本电路中已包括）。对于补偿及调节用电位器的选用，由于其直接影响输出电压精度，故设计时需考虑其可靠性和稳定性。[0013]单片机信号处理电路中，通过AD9851芯片U7输出0～1V正弦波控制功率放大电路，

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正弦波频率由单片机编程设置后，再通过C8051F005芯片U6控制AD9851芯片U7控制端输出，正弦波幅度可通过调节电位器W5。

[0014]采集信号处理电路中的Vdis与单片机信号处理电路中的Vadj通过比较器后输出电压，传送至功率放大器电路中的AD633芯片U1，该芯片接收信号后可调节输出信号的幅值，再输入至功率放大部分将信号放大，进而调节输出电压幅值。[0015]在电路PCB板设计时，初级工作电流较大，因此主功率线路设计冗余应满足一级降额，降低线路损耗。同时对功率器件的散热应可考虑贴近外壳或底板的位置，可加强散热效果。

[0016]该电源的创新之处在于对采集信号的处理上，采集的信号为正弦波交流信号，通过环路信号转变，AC变DC、DC变AC，交直流变换控制电路，这种控制方式使得采样信号都是低电压信号，没有高压的干扰，使采样信号更稳定，控制闭环电路更可靠，整体提高本发明所述电源的使用寿命。

[0017]本发明采集信号选择在变压器初级端，这样可以降低难度增加电源可靠性，同时又不影响闭环控制效果。采集的正弦波信号，通过绝对值电路转变成全波整流信号，再将处理的信号经过比较器输出直流电压，与单片机信号处理电路中Vadj信号进入比较器后输出信号，进而控制功率放大电路输出的幅度，进而构成完整的闭环。[0018]电路主要工作原理如下：

单片机信号电路输出0～1V的正弦波，通过程序汇编设置需要的频率，通过电位器W5调节输出幅度增益；

正弦波经过功率放大电路芯片U1的1脚后，输入至功率放大电路的主电路中，通过该电路将输入的正弦波信号放大后输出，放大倍数为36倍；

在功率放大电路的输出端对交流信号采集和处理，采集的标准正弦波信号通过绝对值放大电路全波整流后得到负压信号，再经过零比较器后输出DC4V的反馈信号Vdis，通过调节电位器W1调节Vdis电压幅值，Vdis输入至单片机信号电路，单片机信号处理电路输出Vadj信号与Vdis作为放大器U3B的两个比较信号，比较结果通过放大器U3B的7脚反馈至功率放大电路芯片U1的3脚后进而调控功率放大电路的输出状态，形成完整的控制回路。

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图1

图2

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