頻率跟蹤

傅立葉變換是分析電力系統運行狀態的重要數學工具,直到今天仍在微機型繼電保護裝置中廣泛應用。為了減少傅立葉變換的頻譜泄漏,頻率跟蹤技術成為現代微機型繼電保護裝置必不可少的重要組成部分。從實現手段來看,頻率跟蹤有硬件法和軟件法兩種方案。硬件法由於需要增加鎖相環或波形整形電路,因此成本高、實現複雜,不適應保護裝置微型化的發展方向。目前常用的軟件頻率跟蹤算法有過零檢測、傅氏變換與小波分析等多種方法,但都存在計算繁瑣、穩定度差等缺點。也有一些文獻提出過其它原理的頻率測量技術,但其計算誤差遠大於測控裝置的指標要求,因此需要加以改進電網技術 ^[1]  。

本頻率跟蹤算法的主要實施步驟為:l)利用全周傅氏變換計算原信號相量形式的實部Fl與虛部凡;2)利用數字濾波器濾除傅氏變換結果中的和頻分量;3)利用濾波後的變換結果計算相鄰兩採樣點間變換結果的相位差△毋)利用數字濾波器1對相位差計算結果進行數字濾波;5)計算頻率變化；6)計算原信號頻率 ^[1]  。

實施頻率跟蹤算法時應注意以下凡個問題:①相位差計算在傅氏積分峯值處存在較大躍變,此時宜用前點計算結果取代本次計算結果,單純的多次平均算法在這種情況下仍會導致較大的誤差;②式(16)中的fA之所以取負,是因為變換結果中差頻分量與原信號轉向相反,假如在計算時採用前點減後點的方式,則fA的符號應取正;③儘管本文所提算法對任何電壓和電流信號都有效,但本文還是強烈推薦在實踐中選取正序電壓或電流分量作為計算的基準信號 ^[1]  。

遙測的綜合誤差需達到0.5級,其中電流、電壓的綜合誤差需達到0.2級。為了達到遙測的精度,除了採用高字長微處理器或高精度A/D轉換器外,提高頻率測量的精度也是非常關鍵的。頻率測量的常用方法有:①交流信號整形變成方波後,測量方波的跳變時間寬度,在交流過零時,運放和光電隔離器存在線性區,容易產生方波的抖動,引起頻率測量誤差。②相似三角形的頻率計算方法,是利用交流波形過零時近似直線的特點計算兩個過零點的時間差,這種方法對A/D採樣精度要求較高,採樣值在過零時數值較小,離散性較大,頻率測量結果不穩定。③頻率跟蹤方法,可通過硬件或軟件完成。硬件頻率跟蹤可以採用鎖相環,能實時調整採樣週期,但不方便測量頻率,對於採樣間隔,軟件不能控制,完成毫秒級的延時還需另外提供定時中斷,不方便使用 ^[2]  。

電力系統運行時,系統頻率往往會發生變化。現場運行情況表明,小電源系統的頻率變化範圍可為47Hz一53Hz,甚至更大。如果忽略頻率的變化,計算結果就會產生較大的誤差。測試的測控裝置採用每個週期24點採樣,全週期傅里葉算法。信號為單相電流IA,電壓60V,相角o0。理想的測量結果為電流IA,有功60W。頻率超出49.8Hz一50.

2Hz時有功測量結果已不能滿足0.5級精度的要求。頻率偏離50Hz越多,測量誤差越大 ^[2]  。

超聲波發生器是超聲設備的重要組成部分擔負着向超聲換能器提供超聲頻電能的任務。為了使換能器高效率地工作不但要求發生器提供的電能有足夠的功率,而且要求其頻率與換能器的諧振頻率一致。通常,換能器的諧振頻率會由於發熱、負載變化、老化等原因發生改變。對於超聲波清洗設備來説這種現象尤為顯著。因為除了換能器自身的損耗引起發熱外清洗液的温度也會傳至換能器而清洗槽中液麪高度的變化或被清洗物件的變化是難以避免的。所有這些因素都會引起換能器諧振頻率的漂移。如不及時調整發生器的振盪頻率換能器的工作狀態就會變化輕則效率下降,重則停止振動。用手動(即人工)方式調整頻率不但效率低下,而且不適應自動化生產的要求。因止。需要發生器具有自動調節頻率的性能即通常稱作自動頻率跟蹤或簡稱頻率跟蹤 ^[2]  。

功率超聲電源廣泛使用在超聲電機、超聲清洗、超聲焊接、超聲加工等許多領域,它是各種超聲設備驅動換能器的關鍵器件。它產生超聲頻率的電壓波形驅動壓電換能器,換能器再將電能轉換為同頻率的機械振動,產生超聲波。換能器有其諧振頻率,當工作在諧振頻率下,換能器有着最大的功率輸出和振幅。由於超聲壓電換能器的機械品質因數較小,而處於高頻振動中的彈性體本身也會發熱,因此壓電換能器的介電係數、等效電容及漏電阻都會隨温度的升高發生變化,這將導致諧振頻率有±1kHz的變化,振幅成指數下降。為了穩定地驅動換能器,有必要根據温度的變化自動跟蹤換能器諧振頻率的變化。針對在工作中換能器的諧振頻率漂移問題,提出一種基於鎖相環技術的頻率跟蹤方法,利用鎖相環芯片CD4046實現了諧振頻率的自動跟蹤,解決了這個問題,保證了換能器的輸出效率 ^[2]  。