电力电子技术课程设计----PWM交流斩控技术的交流稳压电源设计.doc

电力电子技术课程设计摘要近年来，有人把交流斩控技术应用到稳压电源领域，出现了斩控式交流稳压电路。这类电路的工作原理与直流斩波器相似，但输入电压和负载电压均为交流。因此电子开关必须是双向的，直流斩波电路中经常用到的续流二极管在这里也不能采用，续流作用也要靠交流电子开关来实现。目前的调压器大多数为传统的相控式交流调压器，采用的开关器件为晶闸管。它们的优点是：控制电路简单、功率容量大；缺点是：当控制角增大时，功率因数减小，电流中谐波的幅值相对大，滤波器的体积大。而本文所研究的pwm型斩控式交流稳压电路可以较好地克服上述缺点，在pwm方式中，开关模式是双向的，且当两个开关均关断时，需要提供一个续流回路。在许多电路拓扑中，装置续流回路是用另外的取向开关来实现的。新型的pwm斩控式稳压电源电路只采用带有rc旁路缓冲电路的标准开关。然而，rc的功耗给系统带来了很大的负担。本文首先就提出了交流调压器的一种拓扑。这种拓扑通过巧妙的pwm开关模式，提供了开关安全转换的条件，而没有高电压尖峰，用输入或者输出电压的极性来决定开关模式。采用了含有两个开关和两个续流二极管的标准功率开关模块。其电路拓扑的优点：功率因数高、谐波少、效率高、可靠性高、动态过程快、容易实现、容量大、滤波器体积小等。本设计利用pwm交流斩控技术,对传统的交流稳压电源进行了改进,使其性能照以往的稳压电源有了很大的提高。第一章 前言11应用背景概述随着高新技术的发展，越来越多的高精密负载对输入电源，特别是对交流输入电源的稳压精度要求越来越高。但是，由于电力供求矛盾的存在，市电电网电压的波动较大，不能满足高精密负载的要求。由于此现状的出现，交流稳压技术的发展便倍受广大电力用户和生产厂商的关注，其原因在于我国市场上现有的各种交流电力稳压产品，在技术性能上还存在较大欠缺。在我国应用较早，且用户最广的交流电力稳压电源当属柱式（或盘式）交流稳压器，虽然这种稳压电源有很多优点，但由于它是用机械传动结构驱动碳刷（或滚轮）以调节自耦变压器抽头位置的方法进行稳压，所以存在工作寿命短，可靠性差，动态响应速度慢等难以克服的缺陷。近年来不少生产厂家针对柱式交流电力稳压器所存在的缺点，纷纷推出无触点补偿式交流稳压器，大有取代柱式稳压器之势。这种电源实质上仍然是采用自耦方式进行调压，所不同的只是通过控制若干个晶闸管的通断，改变自耦变压器多个固定抽头的组合方式，来代替通过机械传动驱动碳刷改变自耦变压器抽头位置的一种调压方法。这种方法固然提高了稳压电源的可靠性和动态响应速度，但却失去了一个重要的调节特性平滑性，即调节是有级的，其必然结果是稳压精度低（一般只有35），并且在调节过程中，当负载电流很大时会冲击电网并产生低频次谐波分量，对负载也会产生冲击；另外采用这种方法所用变压器较多（一相至少需二台，即一台自耦变压器，一台补偿变压器），这就增加了电源的自重和空载损耗。12 pwm控制技术简介脉宽调制技术(即pwm技术)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。pwm控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现pwm控制变得十分容易。pwm技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。pwm控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。pwm控制电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压，改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是pwm控制中最简单的一种情况pwm的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是pwm相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将pwm用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的rc或lc网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。第二章 pwm交流斩控技术的的交流稳压电源具体设计21 pwm控制的基本原理采样控制理论中有这样一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。pwm控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小。例如图2-1a,b,c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图2-1a为矩形脉冲,图2-1b为三角形脉冲,1c为正弦半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时,其输出响应基本相同.当窄脉冲变为图2-1的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲宽度函数.图2-1图2-2a的电路是一个具体的例子.图中e(t)为电压窄脉冲,其形状和面积分别如图1的a,b,c,d所示,为电路的输入.该输入加在可以看成惯性环节的r-l电路上,设其电流i(t)为电路的输出.图2-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形.从波形可以看出,在i(t)的上升段,脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同.脉冲越窄,各i(t)波形的差异也越小.如果周期性地施加上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的.用傅里叶级数分解后将可看出,各i(t)在低频段的特性将非常接近,仅在高频段有所不同.上述原理可以称之为面积等效原理,它是pwm控制技术的重要理论基础.下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波.把图2-3a的正弦半波分成n等份,就可以把正弦半波看成是由n个彼此相连的脉冲序列所组成的波形.这些脉冲宽度相等,都等于/n,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化.如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和图2-2相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图2-3b所示的脉冲序列.这就是pwm波形.可以看出,各脉冲的幅值相等,而宽度是按正弦规律变化的.根据面积等效原理,pwm波形和正弦半波是等效的.对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到pwm波形.像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形,也称spwm波形.图2-3要改变等效输出正弦波的幅值,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可.pwm波形可分为等幅pwm波和不等幅pwm波两种.由直流电源产生的pwm波通常是等幅pwm波.如直流斩波电路及pwm逆变电路,其pwm波都是由直流电源产生,由于直流电源电压幅值基本恒定,因此pwm波是等幅的.不管是等幅pwm波还是不等幅pwm波,都是基于面积等效原理来进行控制的,因此其本质是相同的.上面所列举的pwm波都是由pwm电压波.除此之外,也还有pwm电流波.例如,电流逆变电路的直流侧是电流源,如对其进行pwm控制,所得到的pwm波就是pwm电流波.直流斩波电路得到的pwm波是等效直流波形,spwm波得到的是等效正弦波形.这些都是应用十分广泛的pwm波.pwm控制技术实际上主要是spwm控制技术.除此之外, pwm波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和spwm控制相同,也是基于等效面积原理.22 pwm交流斩控调压原理图2-4图2-4（a）所示，假定电路中各部分都是理想状态。开关s1为斩波开关，s2为考虑负载电感续流的开关，二者均为全控开关器件与二极管串联组成的单相开关见图2-4（b）。s1及s2不允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。定义输入电源电压u的周期t与开关周期ts之比为电路工作载波比kc，（kc=t/ts）。图2-4（c）表示主电路在稳态运行时的输出电压波形。显然输出电压uo为： (1)式中：e（t）为开关函数，其波形示于图2-4（c），函数由式（2）定义。 (2)在图2-4（a）电路条件下，则 (3)e（t）函数经傅立叶级数展开，可得 (4)式中：d=ton1/ts，s=2/ts，n=n/ts；d为s1的占空比；ton1为一个开关周期中s1的导通时间。将式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧处分布，开关频率越高，谐波与基波距离越远，越容易滤掉。在经lc滤波后，则有： (6)把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义为调压电压增益，即： (7)由此可见电压增益等于占空比d，因此改变占空比就可以达到调压的目的。23 控制方案设计及原理分析一般情况下，pwm交流斩控调压器的控制方式与主电路模型、电路结构及相数有关。若采用互补控制，斩波开关和续流开关在换流过程中会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间，又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。本方案采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式，如图2-5所示。对相数而言本方案采用三相四线制，即用三个单相电路，组合成三相电源，这样可以避免相间干扰，保持各相电压输出稳定。图2-5由图2-6可见，v1，vd1与v2，vd2构成双向斩波开关，vf1，vdf2与vf2，vdf1构成双向续流开关；lof及cof分别为滤波电感、电容；u1为补偿变压器初级绕组两端电压，u2为向主电路补偿的电压。本方案采用了有电压、电流相位检测的非互补控制方式。图2-6为在rl负载下，这种非互补的斩波开关和续流开关门极驱动信号的时序配合及一个电源周期中输出电压的理想波形。由图2-6可见根据负载电压电流相位，一个电源工作周期可分为4个区间.上述工作状态，可用逻辑表达式表示为： （8）当u0时，u=1；当u0和0时，=1，=1；当0和0时，=0，=0。图2-6为保证电源满足负载特性的要求及运行可靠性,本设计采用了图2-7所示的控制电路结构。图2-7结论通过对上述设计的分析研究，我大体了解了pwm在稳压电源调压方面的重要作用。采用电压、电流相位检测的非互补控制方式可以实现对交流稳压电源的电压调节。体会到了pwm交流斩控技术用于交流稳压电源的巨大优势。它可以显著提高交流稳压电源的技术性能并据此总结了如下几个主要特点：(1)可采用全固态器件，真正做到了无触点、无抽头，因而可靠性高、工作寿命长；(2)平滑调节，输出无级差，对电网及用户无冲击，不会产生低频次谐波干扰；(3)输出精度高，实际精度可达到0.5%，即便在正补偿和负补偿变换瞬间，输出电压波动也不会超过额定电压的1%；(4)动态响应速度快，最快可达到ms级；(5)没相只需一台变压器，因而重量轻、自身功耗小；(6)负载无选择性，对感性、阻性、容性负载都适用。上述特点正是本设计所要实现的目标，通过以上诸多特点的描述不难看出，本设计课题正是pwm斩控技术在交流稳压电源领域的一个很好的应用，具有极大的发展空间。心得体会很快，一周的课程设计就结束了，在这一周里面通过设计使自己对电力电子技术这门课程有了更进一步的了解，尤其是对pwm控制技术这部分有了更为深刻的印象，对这个电路的工作原理，电压电流波形有了更深一步的认识，还有相关器件的使用方法。以前根本就不了解，通过设计使我对采用pwm斩控技术实现稳压电源的控制有了进一步了解，这些都是课堂上我们学不到的。许多东西教科书上提到的很少必须自己找些课外书，这让我有了平时喜欢去图书馆翻阅一些指导书的习惯，这一切都为将来毕业设计作好铺垫，为将来的就业积累宝贵经验。通过此次课程设计，我深刻体会到了自己知识的匮乏。深深感觉到自己储备知识的不足，知道了自己原来所学的东西只停留在表面性的，理论性的，而且是理想化的阶段。根本不知道在现实中还存在有很多问题。以为电力电子是门简单的学科，殊不知所要考虑的问题，要比考试的时候考虑的多的多。所以，一开始，我遇到了很多麻烦。不过通过老师和同学们的帮助，我渐渐有了眉目。这也在很大程度上提高了我独立思考问题的能力。在此，我要感谢指导我完成课设的老师和帮助我的同学。在设计中遇到了很多问题和困难。是你