毕业设计（论文）-单相无触点交流自动稳压电源毕业设计.doc

单位代码 学 号 分类号 密 级 毕业综述单相无触点交流自动稳压电源毕业设计 学习中心名称北京金航 专业名称电气工程及其自动化 学生姓名 指导教师2015年03月25日北京航空航天大学毕业设计(论文) 第i页单相无触点交流自动稳压电源毕业设计摘要交流稳压电源能为负载提供稳定交流电源的电子装置。又称交流稳压器。各种电子设备要求有比较稳定的交流电源供电，特别是当计算机技术应用到各个领域后，采用由交流电网直接供电而不采取任何措施的方式已不能满足需要。随着电力电子技术的发展，很多设备都要求稳定的交流电源供电，但是交流供电系统存在电力欠缺、电网不尽合理等问题。这一切都会导致用电设备出现工作不正常、精度下降等问题，甚至造成意外的损坏。交流供电品质的改善成了保证系统正常工作的前提。传统的交流稳压电源存在效率低、触点磨损、反应时间长、稳压精度低等问题。针对目前交流稳压电源的不足。本文设计的交流稳压电源具有设计出一种以电子开关为执行机构来控制多抽头自耦变压器输出电压经补偿变压器叠加的主回路补偿工作方式的一种交流稳压电源，它具有稳压精度高、效率高、响应快、带负载能力强、电源波形失真小、无机械传动装置和碳刷磨损、免维护、工作可靠、噪音低、抗干扰能力强、并具有延时、过压、欠压保护功能。关键词：稳压电源，电压补偿器 ，双向晶闸管，单片机 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第i页目录摘 要i第一章 设计任务及本文内容结构1第二章 交流稳压电源的总体结构设2第三章 系统硬件整体设计8第四章 系统软件设计15参考文献18北京航空航天大学毕业设计(论文) 第18页第一章 设计任务及本文内容结构1.1交流补偿电路的设计；1.2主控制的无触点的设计；1.3单片机控制、警报指示、保护电路设计。1.4程序设计第二章 交流稳压电源的总体结构设2.1主要设计技术参数2.1.1输入电压范围：常规单相220v20%；2.1.2输出额定功率：3kw；2.1.3输出电压：单相220v；2.1.4稳压精度：2%；2.1.5保护功能：对主电路的短路保护警报、以及过压、欠压保护功能等。2.2补偿原理对交流电压的调节通常有两种方法，调节补偿电压u的大小或者或者同输入电压ui的夹角，就可以调节输出电压uo的大小和相位。根据实际应用，通常情况是调节补偿电压u的大小，而相位与输入电压ui同相位，或者反相位，通过叠加维持电压uo不变。当输入电压ui降落u时，通过补偿变压器同相补偿+u，从而维持输出电压uo不变，如图2.1所示；而当输入电压ui升高u时，通过补偿变压器反相补偿u,依然维持输出电压uo不变，如图2.2所示。1图2.1 正补偿示意图图2.2 反补偿示意图该补偿电路对输入电压的正、负补偿是通过切换双向晶闸管q13-q16的工作顺序来实现的。当输入电压比正常电压低时，使q14、q16开通，补偿电路进行正补偿，相反当输入电压比正常电压高时，使q13、q15开通，补偿电路进行负补偿。本文中采用多抽头自耦变压器输出电压经补偿变压器叠加的方式进行交流电压补偿。这种补偿方式使电源稳压速度快、无噪声、简单可靠。该电路检测输入电压ui后进行相应的作动，调节自耦变压器输出电压相应的连接线路进行改变补偿电压，使uo达到输出标准内。补偿电路原理图如2.3所示。1图2.3 补偿电路原理图2.3电源整体结构介绍本文设计的交流稳压器是通过单片机控制双向晶闸管，来选择自耦变压器所输出到补偿器的电压，从而改变补偿器的电压以保证输出电压稳定，实现对交流输入电压的补偿。当输入电压比正常低时，单片机控制双向晶闸管q14、q16导通,进行对输入电压的正向补偿，来实现输出电压的稳定。当输入电压比正常要求高时，单片机控制双向晶闸管q13、q15导通，进行对输入电压的反相补偿，使输入电压降低来实现输出电压的稳定。电源的主要电路包括主电路（补偿电路、自耦变压器输出电路、短路报警电路等部分组成）、电压采样电路、功率因数采样电路、保护电路及辅助电源电路。保护电路主要包括过压、欠压、温度保护电路。系统总体方案的选择考虑了其结构设计、整个系统控制灵活、保护系统齐全、运行可靠。系统结构如图2.4所示。 图2.4 交流稳压器整体框图2.4系统主要器件的选择在对补偿原理和电源整体结构有了清楚的认识以后，对主要器件的选择是非常必要的。2.4.1补偿变压器的选择根据设定要求，当输入电压变化很大时，最高补偿电压vmax为：vmax=220v*20%=44v （2.1）稳压电源的额定输出功率为3kw，由此可知变压器t2输出功率w为：w=,44v/-220v3000w=600w （2.2）所以补偿变压器最大输出功率为600w，考虑到大负载补偿过程中变压器会有一定的压降在这里设计补偿变压器初次级匝数比为2:1，功率为4kw。留有一定的裕量。12.4.2自耦变压器t1的选择根据补偿变压器输出功率为600w，则自耦变压器输出功率定为800w，留有一定的裕量。自耦变压器输出端子共12个，其输入、输出电压变比关系如表2.1、表2.2所示，当输入电压为217v223v时电源不作补偿。表2.1 反向补偿表2.2 正向补偿2.4.3双向晶闸管的选择双向晶闸管是由n-p-n-p-n五层半导体制成的，对外引出3个电极它有两个主级t1和t2，一个控制门级g。双向晶闸管相当于两个单项晶闸管的反向并联，但只有1个控制级。双向晶闸管与单向晶闸管一样，具有触发控制特性。不过，它的触发特性与单向晶闸管有很大的不同，即无论在阳极或阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制级上加上一个触发脉冲，不管该脉冲是什么极性的，都可以使双向晶闸管导通。是一种理想的交流开关器件。1在本设计中，分为电压正向补偿和电压反向补偿及补偿电压选择。需要16个双向晶闸管。对输入电压进行正向补偿时，双向晶闸管q14、q16导通，对输入电压进行反向补偿时，双向晶闸管q13、q15导通。其补偿电压的选择如表2.1、表2.2所示，输入电压为217v223v时电源不作补偿，q1q16不导通。双向晶闸管的接法如图2.3所示。按照课题要求，当补偿变压器输出最大功率时，流过双向晶闸管的电流最大不会超过10a。可控硅的接入电压最大不超过85v。按照器件的选择规律，耐压值一般为工作值的4倍左右，额定电流一般为工作值的34倍。所以，考虑留有一定的裕量。因此选择耐压1000v，额定电流为40a的双向晶闸管。选用型号为：bta41-1000b的双向晶闸管。主要参数如下：浪涌电流（itsm）：400a(50hz)/420a（60hz）交流额定电流：40a正向耐压（vdrm）：vdrm1000v反向耐压（vrrm）：vrrm1000v触发电流igt（/）：igt（/）50/50/50/100ma通态压降（vtm）：vtm1.55v（itm=60.0a）另外需注意的是双向晶闸管承受du/dt的能力较低，使用过程中，主级t1和t2之间并联rt吸收电路。1第三章 系统硬件整体设计系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括主电路、保护电路、控制电路、检测电路、指示部分电路、驱动电路等。3.1稳压电源主电路结构主电路包括补偿电路、补偿电压选择电路、短路报警电路等。主电路结构如图3.1所示。图3.1 主电路结构示意图3.1.1补偿电路图3.1所示中的补偿方式为同向补偿或反向补偿。当输入电压ui低于220v时，有控制单片机发出指令，导通双向晶闸管q14、q16。当输入电压ui高于220v时，导通双向晶闸管q13、q15。补偿电压的大小由单片机通过电压采样电路来决定。这种无触点补偿方式使整个电源功耗低、寿命长等优点。补偿电压只承担电网电压升高或降低的部分，所以补偿变压器的初级线圈额定功率不大，整机的功耗和造价比较低。3.1.2补偿电压选择电路本文中是采用12路双向晶闸管来切换自耦变压器输出电压的转换，进而改变补偿器的次级电压即补偿电压，已实现对补偿电压大小的调节。电路主要器件是自耦变压器t1、双向晶闸管q1q12。3.1.3短路保护报警电路在电源稳压过程中，要不断进行正、负补偿，即双向晶闸管q14、q16和q13、q15交替导通。由于干扰和不确定因素存在，为防止q14、q15或q13、q16同时导通，在桥电路前加上熔断器f1。若q14、q15 或q13、q16同时导通，f1瞬间烧断，保护电源。同时继电器k1作动，铃响报警，通知人员检修。3.1.4输入电压超出稳压范围、输出过流、输出欠压过压保护电路j3为输出保护继电器的常闭触点，当检测输入电压超出稳压范围、输出过流、输出欠压过压不良状况时，由单片机控制j3进行切断输出实现保护负载。3.2采样电路设计在本课题设计中，需要对输入交流电压、输出电流进行检测。控制单片机通过输入电压检测值来决定补偿程序是用反补偿程序还是正补偿程序，及补偿多少电压。首先使用电压互感器使电源输入高电压变为设定的低电压，以保证后续的低电压电路的安全运行，再将变换后的低电压送入电压采样电路。电压采样电路将输入的交流电压用电阻分压采样，再将交流采样电压通过精密检波电路部分变换成相应的直流电压及da1处电压，ad1处电压能够准确反应出电源输入电压的大小。采样电路图如图3.2所示。图3.2 电压采样电路原理图该采样电路的准确度很大程度影响整个电源的稳压效果，所以再次采用精密检波电路来对交流输入电压进行有效值检测。大大提高了交流电压有效值的精度。这里选用当初级电压为220v时，次级电压为8v的变压器作为电压互感器。电压互感器的输出端与电压采样电路的输入点相连接，调节滑动变阻器r2使ad1处电压值能精确反应出输入交流电电压有效值。由于检测输入电压、输出电流所用到的a/d转换采用单片机pic16f877a自带a/d转换功能，这里设计当电压互感器初级输入电压为300v时，调节滑动变阻器r2使ad1点电压为5v，这样保证电压在整个变化范围内能够有效的检测。同样，当检测系统输出电流时，该电路输入端接电流互感器，ad1点反映稳压电源的输出电流的大小。这里设计电流互感器初级电流为30a时，调节滑动变阻器r2，使ad1点电压为5v。所以通过检测ad1点处的电压，就可以得到本课题设计的稳压电源的输入电压及输出电流值。当检测稳压电源输入电压值时，ad1点接pic16f877a的2脚；当检测稳压电源输出电流值时，ad1点接pic16f877a的3脚。3.3过、欠压保护电路为了保护负载的安全，需要设计过、欠压保护电路。当电压过高或者过低切断输出电压保护负载，同时响铃发出警报发光二极管指示。电路原理如图3.3u1是过压比较放大电路，u2是欠压比较放大电路。当电压在允许范围内时，t不作动。过压保护电路中取样电路接到u1的正输入端，基准电压在负输入端。当电压高于是定值时，u1的正输入端电压高于负输入端电压而输出高电平。使t导通，j3吸合，主电路中的长闭触点断开，切换输出并响铃报警。当电压低于过压保护值时，u1的正输入端电压就小于负输入端电压而输出低电平，使t关短，j3释放，主电路中的常触点闭合，电源恢复正常输出。欠压保护电路与过压保护电路原理相似，取样电路接到u2的负输入端，基准电压在正输入端。当输出电压低于欠压保护设定值时，u2输出高电平，t导通，切断输出同时报警。在这里，比较放大器u1、u2用lm358中两个放大器组成。d点接单片机8脚，作为检测有无输出过欠压作动及过流、输入超出稳压范围保护输出，控制t导通，使j3断开负载。图3.3 过欠压保护电路原理图继电器j3选用固态继电器，由于固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐震荡，防爆，防潮，防腐蚀，能与ttl、dtl、htl等逻辑电路兼容，以微小的驱动信号直接驱动大电流负载等优点。固态继电器根据电源参数再次选用泰伦特电子科技有限公司的hrs-3系列（单相 高压型）交流固态继电器。考虑到电源要带非阻性负载，例如负载为感性时，所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值，而且所选产品的阻断（击穿）电压应高于负载电源峰值的两倍。如在电源电压为交流220v，一般性非阻性负载的情况下，建议选用额定电压为400600v的ssr产品。对于变压器负载，所选产品的额定电流必须高于负载电流的2倍。对于负载为感应电机，所选ssr的额定电流值应为电机运转电流的24倍，ssr的浪涌电流值应为额定电流的10倍。在此选用继电器型号为hsr-3d304z,完全能满足电路设计要求。继电器参数如下：输入额定电压：dc524v启动电压：dc3v以上输入电流：10ma（3）额定符合电压：ac100440v峰值电压（非反复）：1200v额定负荷电流：40a频率：2565hz耐电压：ac2500v（在60hz中1分钟）使用温度范围：-208013.4系统电源电路所有电器设备必定都有他自身的供电电路，所以电源电路是系统的重要组成之一。系统供电共需要3组直流电源供电，+12v电源为过欠压保护电路供电，+5v电源为单片机及外围电路、电压采样电路供电，-5v电源为电压采样电路供电。电源电路如图3.4所示。图3.4 系统电源电路电源电路变压器输出电压需要在电网最低谷时比后级稳压电路至少高出3v电压，因此选用双输出绕组变压器分别输出ac20v用于稳压12v与ac10v用于稳压-5v。3.5双向晶闸管触发电路双向晶闸管触发电路采用moc3061光电双向可控硅驱动器，moc3061是一种新型驱动器，它可用直流低电压小电流来控制交流高电压大电流。用该器件触发晶体管具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。moc3061为6脚封装ic，功能参数如下：触发电流：515ma；保持电流100ua；超阻断电压：600v；moc3061的引脚功能为：1、2脚为输入端；4、6脚为输出端；3、5脚悬空。本文设计晶闸管设计电路如图3.5所示，moc3061的2脚经电阻接单片机输出接口。图3.5 晶闸管触发电路3.6单片机控制接口电路控制单片机采用美国microchip公司生产的pic16f877a单片机。该单片机具有运行速度高、低功耗、驱动能力强、及包括多种复合功能接口，能完全胜任本设计任务的测量控制功能。pic16f877a主要性能参数：8kb可重复擦写flash存储器；368b运行内存eeprom存储器；40个i/o口；3路定时器；8路10位a/d转换器；14个中断源；2单片机控制接口电路如图3.6所示，单片机pic16f877a为整个系统的控制核心。来自电压、电流采样电路的采样信号分别输入单片机pic16f877a的2脚rn0和3脚rn1进行ad转换，启用内部基准电压，在单片机内部进行数据数据对比处理。pic16f877a的3338脚分别接q1、q3、q5、q7、q9、q11的晶闸管驱动电路的控制端，pic16f877a的39脚与40脚分别连接q13、q15的晶闸管驱动电路的控制端，此电路组成反向补偿电路。pic16f877a的1922脚及27、28脚分别连接q2、q4、q6、q8、q10、q12的晶闸管驱动电路的控制端，29脚