周波跌落模拟器的研制

摘 要：本文介绍了周波跌落模拟器的设计方法以及信号采集和处理系统的组成。该仪器计量精密，能模拟电网电压的变化,为用户提供所需要的电压波形，从而可实现电压瞬时跌落、短时中断等功能，可广泛应用于电气、电子设备抗扰性的测试和研究领域。
关键词：抗扰性；跌落电压；跌落相位

引言
电磁兼容(EMC)要求电子电气装置必须具备在一定的电磁环境下正常工作的能力。而进行抗电磁干扰的测试和研究离不开符合国家标准的电磁干扰模拟器。以前这些设备都是依赖进口，且价格昂贵。为此研制了这台周波跌落模拟器。该仪器计量精密，能模拟电网电压中断或增大/减小，具有显示直观、输出稳定、使用方便、成本低等特点。

工作原理
当电网或变电设备发生故障或负荷突然变化时会引起电压瞬时跌落、短时中断，在某些情况下还会连续出现两次或更多次的电压跌落与中断。这些现象本质上是随机的，其特征表现为偏离额定电压，并持续一段时间。但是，电压瞬时跌落和短时中断不总是突然的，因为与供电网络相连的旋转电机和保护元件有一定的反作用，如果大的电源网络断开，电压将由于很多旋转电机连接到电源网络上，而仅仅是逐步降低。这些旋转电机短期内将作为发电机运行并向电网输送功率。为了保护数据并存储到内部存储器中，大的数字处理设备都装有内置式断电探测器，以便在电源恢复后，设备按正确的方式启动。但有些断电探测器不能迅速反应，导致直流电压在断电探测器触发之前会减小到低于运行电压的水平，从而造成数据丢失或改变。当电源电压恢复时，数据处理设备就不能正确启动。本文讨论的周波跌落模拟器由单片机与存储显示部分、电压采样和过零信号检测部分、功率驱动部分和有关直流工作电源等四部分组成，总体构成如图1所示。

单片机系统
采用8051型单片机协调、控制各部分电路的正常运行，并用键盘、彩色液晶显示器输入显示设定值。设定值主要包括跌落电压、跌落相位、跌落时间、跌落间隔和跌落次数等等，并有中英文两种版本。设定值有三种选择：手动模式、程式模式、标准模式。为了充分利用单片机的资源，P1.0和P1.1用于额定电压、跌落电压的切换；P1.3检测电压过零信号；P1.4和P1.5控制电机正反转；P1.6用于换屏；P1.7连接看门狗电路；P3.3控制A/D中断；P3.5选择选通开关。为了处理大量数据的信息、纠错方案和软件容错，需要一定的RAM，因此，本仪器采用扩充8K的外部RAM。这台周波跌落模拟器不仅可单独工作，而且留有RS-232通信口还可与上位机联网通信。为了提高设备的可靠性和安全性，满足国标的要求，本设计在软件和硬件上都采用了保护措施，特别是一些抗干扰措施。首先，在保护CPU方面，采用光电隔离器和继电机来驱动电机转动，同时采用变压器和光电隔离器来取样电压信号和过零信号。这样就把强电和弱电部分完全隔开，即使外围线路损坏，也不会损坏CPU。其次，在工作电源方面，通过串接电感线圈来减小直流电压的波动，这样就保证了工作电压的稳定性。在抗高频干扰方面，采用数块金属板把相关电路隔开，这样就能使整个仪器减少高频方面的干扰。
此外，还利用软件的优势，采用多种滤波方法净化信号，以及容错技术，如设置看门狗等。

电压采样和过零信号检测电路
电压采样和过零信号检测电路是提高跌落电压和跌落相位的关键电路。电压采样主要包括额定电压采样和跌落电压采样。这里重点介绍跌落电压采样，具体电路见图2所示。
在图2中，0~255V跌落电压经6V变压器降压，变成较低的交流信号。由于跌落电压的取样直接影响到整台仪器的测试，过去采用的只用一个二极管来整流的方法虽然简单，但是线性不好，误差非常大，终只能在软件中加补偿来消除误差，这样就大大增加了软件的工作量，而且重复性也不好。因此为了减小二极管的非线性在整流中造成的误差，本设计采用了典型的运放跟踪整流电路，由运放mA741和二极管RF107组成。从而避免了以上弊端。只用硬件电路就能满足要求，无须软件补偿。
图2中电解电容C1和电容C2组成滤波电路。在调试过程中，发现电解电容C1的电容值选取非常关键，它直接影响到定标的准确。由于跌落电压经过取样和选通开关以后进入ADC，因此电路要求交流255V对应直流5V的线性定标。本电路中C1取47mF。电阻R2是可调精密电阻，在定标过程中输出取样信号对它的变化非常敏感。因此在图2所示的整个电路中，取样信号的度主要取决于电容C1和电阻R2的数值。后一个运放mA741起隔离作用，主要是防止后续电路对取样电路的影响。整个取样电路不仅成本低，而且性能好，经过实践检验，完全满足跌落电压的设计要求。
跌落相位是周波跌落模拟器的另一个重要的参量，而过零检测电路是保证跌落相位的关键电路。以前采用的方法是利用二极管的正向导通、反向截止的特性来直接对交流220V的过零信号进行检测，这种方法由于二极管的导通并不完全是在电压的零位，因此误差较大，必须在软件中加一定的补偿。为了克服这些缺点，本设计采用零电压比较的方法。这种方法不仅可以提高交流过零信号的，而且还避免了在交流220V线路中串接电阻所带来的一系列问题。具体电路见图3所示。
在图3中，交流220V通过变压器降为12V，然后经过两个二极管组成的钳位电路进入电压比较器LM311，输出的信号是方波，再经过光电耦合送到CPU的P1.3口。其中可调精密电阻R2起过零微调作用。这个电路经过实践，证明完全满足跌落相位的设计要求。

软件
本仪器的软件分为两大类：一类是执行软件，主要功能有：检测跌落电压、计算跌落时间、跌落间隔、跌落次数以及判断设置数值是否超出范围等等。另一类是上位机通信软件，其功能是通过RS-232接口控制仪器的运行，用VB编写。由于硬件已能满足要求，因此跌落电压的取样和过零信号的检测都未加软件补偿，这样使软件工作量大大减轻。在测试中，若超出允许范围，会显示出错信息。主程序分为四部分：开机，仪器初始化；根据设置值执行功能子程序；开启驱动模块，输出所需的跌落电压和波形；与上位机联网的通信程序。程序流程图如图4所示。

误差
本仪器误差主要包括：(1) 取样电路的定标误差，一般小于±5%，这是跌落电压的主要误差来源。(2) 过零信号的检测误差，这是跌落相位的主要误差来源，一般小于±100。(3) 电磁干扰信号所造成的误差，可采取一些措施(如硬件、软件等)使之降低，但不能完全净化。(4) 软件的定时误差等等。尽管这样，由于国标中规定试验发生器的输出电压为±5%(空载时)，电压瞬时跌落和短时中断与电源电压的相位关系为：<±100，因此本仪器仍满足要求。

结语
根据用户要求研制的周波跌落模拟器现在已在中日合资上海三基电子工业有限公司批量生产，性能良好。这台拥有自主知识产权的测试仪器的研制成功，为今后研制其它类型的高测试仪器打下了良好的基础。■

参考文献
1 李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版).北京航空航天大学出版社，1999
2 周明德.微型计算机系统原理及应用.清华大学出版社，1998
3何立民.单片机应用系统抗干扰技术.北京航空航天大学出版社，2000
4涂时亮、张友德.SICE通用单片机仿真器及其应用.复旦大学出版社，1992
5王文义、周兵、苏士美.VB5与Internet应用.西安交通大学出版社，1998
6 钱振宇.电磁兼容测试和对策技术.上海电器技术出版社，1999
7 中华人民共和国国家标准GB/T 17626. 11－1999，国家质量技术监督局
8 秦曾煌.电工技术.高等教育出版社，1998
9 RS-232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
10 mA741 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/mA741_468583.html.
11 LM311 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM311_451347.html.