（电力系统及其自动化专业论文）补偿型交流稳压电源的研究.pdf

a b s t r a c t v o l t a g ei n s t a b i l i t yo fp o w e rn e t w o r ke s p e c i a l l yl o w e rv o l t a g ed r o po c c u r r e di n s o m er e m o t er e g i o n s ，a n ds o m ee l e c t r i cm a n a g e m e n td e p a n sn e e dh i 曲a c e u r a c y v o l t a g e ，s oa cs t a b i l i z e rp o w e rs u p p l yi sr e q u i r e d a i m i n ga tt h es u b s i s t e n tp r o b l e m se s p e c i a l l yp e r f o r m a n c e p r i c er a t i oo ft h ea c s t a b i l i z e rp o w e rs u p p l y , t h ep a p e rp r o p o s e dt w ok i n d so ft o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fa c s t a b i l i z e r p o w e rs u p p l y , a n d m a d es i m u l a t i o n u s i n g t h ep s c a ds o f t w a r e ， t h e o r e t i c a l l vp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fc i r c u i t ap h y s i c a lp r o t o t y p eo fll0 0 v aw a s d e v e l o p e dr e s p e c t i v e l yi nw h i c ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 w a su s e da sc o n t r o lc h i pa n di g b t w a su s e da sf u uc o n t r o l l e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h et w oc o n c e p t s t h e 盘s tt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ( b i p o l a r i t y ) i m p r o v e dt h eo r i g i n a lc h o p p e rc i r c u i t t or e a l i z et h es a v eo fp e r f e c t l y c o n t r o l l i n gt om a x i m u mp o s s i b l e 、r e l i a b l ea n ds i m p l e c o n t r o la n ds i m p l i f i c a t i o no fc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l c i r c u i tw i t h o u ts y n c h r o n o u s c i r c u i t ，b u ti th a dt h ed r a w b a c kt h a tf i l t e rw a sn e e d e d t os o l v et h eh a r m o n i cp o l l u t i o n o fc h o p p e rc i r c u i t t h es e c o n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e ( u n i p o l a r ) b e l o n g i n g t o a c d c a cs t r u c t u r ew a sp r o p o s e da g a i n s th a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ef i r s tt o p o l o g i c a l s t r u c t u r e i tn e e d e da p p l i c a t i o no fs y n c h r o n o u sc i r c u i t ，b u th a r m o n i cp o l l u t i o nw a s a l m o s tz e r o c o m p a r e dw i t ha c - d c a cc i r c u i t ，t h i ss t r u c t u r er e d u c e dt h ec o s to f c i r c u i ta n dv o l u m eo fp o w e rw i t h o u tf i l t e rb e s i d ed c b a s e do nt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fb i p o l a ra n du n i p o l a rc i r c u i t ，c o n s i d e r i n g t h ea d v a n t a g eo fd s pc h i ps u c ha sf a s tc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e rs a m p l e dc o n d i t i o n i n g v o l t a g ed i r e c t l yu s i n ga ds a m p l i n gm o d u l ea n dc o n t r o l l e d 吐l ep w m d r i v i n gs i g n a t o fc h o p p e rb r i d g eu s i n gp w mg e n e r a t i o ni n2 4 0 7 d s p n l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et w ok i n d so fc i r c u i ta r ea b l et or e a l i z e v o l t a g er e g u l a t i o n 、u n d e r v o l t a g ea n do v e r v o l t a g ep r o t e c t i o n w i t hf a s td y n a m i c r e s p o n s e 、l o wo u t p u th a r m o n i c s 、r e l i a b l e c o n t r o la n dh i g hp o w e rf a c t o r k e y w o r d s ：a cs t a b i l i z e rp o w e rs u p p l y ；c h o p p e r ；p w m ；c o m p e n s a t i o n 一一 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 1 一 、二 论文作者签名： 迫i 垒i 刍日期：通年月丝日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：童 约墙 导师签名：垃 导师签名：立盗2 日期：冱盘月丝e 1 日期：越年土月卓日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：囱硕士口博士 作者签名：遮! 鱼：盘 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导教师签名：盘耋竺 日期：五盟年牟月与l 日 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着我国社会经济和科学技术的迅猛发展，计算机的运用更加广泛，自动 化水平日益提高，工矿、科研、邮电、交通、医院和宾馆等要害部门对电压稳 定的要求越来越高。但是由于我国电力事业发展严重滞后于国民经济其他部门 的发展，电力供给满足不了工农业生产的需要，因此出现供电电压不稳的现象。 有一些边远地区经常出现电压过低的现象。电力供应紧张，或电力设备严重老 化，在用电高峰期，电网超负荷运行，电网电压太低，而在用电低谷期，电网 电压太高，这种电压大幅度波动的现象，很容易给一些用电设备带来损害。这 不仅给工业生产、科研和日常生活增添不少麻烦有时还会影响生产，损坏设备， 造成事故。尽管稳压电源的种类较多，但传统的稳压器容量小，损耗大，波形 失真严重，且对负载性质适应性较差，不能满足生产和科研日益发展的需要【1 1 。 目前市场上的交流稳压电源多为交直交( a c d c a c ) 型稳压电源，可方 便地调节输出电压的频率和幅值 2 1 。需将交流电压先变换为直流电压，再通过逆 变输出为合理的交流电压。它的直流侧必须使用大型电解电容稳压，体积大、 成本高，动态响应慢，功率因数较低 3 - 6 。所以，一种新型交流稳压电源一交 交( a c a c ) 卒b 偿式交流稳压电源应运而生。这类电源无需直流变换电路，采用电 力电子功率变换电路，电路简单可靠，成本低廉，功率因数也得到了改善【7 1 。 大功率无触点补偿式自动交流稳压电源是综合了国内外交流稳压电源的最新技 术设计而成的瞵j 。目前无触点的稳压电源形式多样，但由于可靠性、成本等原因， 这些技术尚未得到很好的运用和推广 9 1 。 交交补偿式交流稳压电源多采用高频斩控技术，利用p w m 控制【蛉1 1 】方式 将输入电压“斩成阶段式电压，再利用高频滤波电路滤除高次谐波取出基波 作为补偿电压【6 羽。根据斩控方式不同又可分为双极性和单极性两类【3 】【1 3 1 。 针对目前文献提到的有关交交补偿式交流稳压电源的结构，本文依次讨论 东北电力大学工学坝_ 上学位论文 了双极性和单极性两种斩控方式的电路结构的改进及相应的控制方案。具有稳 压精度好、效率高、适用范围宽，成本低且能自动连续调压，波形失真小，兼 具过压、过流等保护措施和数字显示输出电压等功能，效果良好。特别是由于 采用了d s p 芯片，利用其自带的a d 采样功能和p w m 功能【1 4 】等实现智能化控 制，极大提高了电路工作的可靠性。是一种较为理想的新型稳压电源。 1 2 交流稳压电源研究现状 近几年来，国内关于交流稳压电源的研究较为活跃，其研究的主要内容一 种是线性谐振型技术及其改进；另一种是补偿型交流稳压电源。线性谐振型稳 压器( 也称正弦能量分配器) 通过l c 谐振参量的改变使交流输出电压得到调 整，以获得优越的稳压性能。主电路中不含电力半导体器件，线路简单、可靠 性高。但是由于存在输入电压范围不够宽，源端空载无功电流和谐波电流较大， 以及容易发生振荡等缺点，使其发展和应用受到了限制，特别是在大功率场合 的应用比较少。为了减少工频变压器和低频电感器，简化控制电路，降低成本， 提高可靠性，国内外开始将高频开关电源技术引入到交流稳压电源中，这已成 为目前交流稳压电源发展的主要方向。 1 3 交流稳压电源的分类及主要技术指标 1 3 1 交流稳压电源的分类 能够提供一个稳定的电压和频率的电源称交流稳压电源。目前国内多数厂 家所做的工作是交流电压稳定。交流稳压电源有许多种，也有几种分类方法。 按电源市场上“约定俗成”的习惯说法有多个类型，但其名称和概念比较模糊。 在此，以主电路结构和稳压原理为依据进行分类，并兼顾电源市场上的习惯说 法【1 5 】。 按交流稳压电源的工作原理，可以分成四类。 1 3 1 1 参数调整( 谐振) 型 第1 苹绪论 这类交流稳压电源，就是电源市场上所说的“参数稳压器 ，其稳压的基本 原理是l c 串联谐振。早期出现的磁饱和型稳压器就属于这一类。 它的优点是结构简单，可靠性高、电压稳定度高，动态性能好；稳压范围 宽；抗干扰和抗过载能力强；过压和输出过功率保护。但其缺点是批量生产一 致性差；输入功率因数低；负载适应能力差；频率特性差；温升高，噪音大； 能耗大、笨重且造价高。 在磁饱和原理的基础上，进行技术改进形成的参数稳压器和我国已流行的 “磁放大器调整型电子交流稳压器”俗称“6 1 4 型”，均属此类稳压原理的交流 稳压器1 1 6 】。 1 3 1 2 自藕( 变比) 调整型 这类交流稳压电源，是以自耦变压( 调压) 器为基础实现稳压功能的，典 型电路结构有两种： ( 1 ) 机械调压型，是以伺服电机带动炭刷在自藕变压器的的绕组滑动面上 移动，改变输出电压u o 与输入电压u i 的比值，从而自动实现输出电压的调整 和稳定。这种稳压器可以从几百瓦做到几千瓦。它的特点是结构简单，造价低， 输出波形失真小：但由于炭刷滑动接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁 而失效且电压调整速度慢。 ( 2 ) 改变抽头型，是通过改变变压器的初级或次级抽头的方法，来改变 输出电压u o 与输入电压u i 的比值。具体，就是将自耦变压器做成多个固定抽 头，通过利用继电器或双向可控硅( 固态继电器) 做为开关器件，自动改变抽 头位置，从而实现输出电压的稳定。 这种形式的交流稳压器，适应市电电压波动范围较宽，输出电压波形与输 入电压波形基本相同，电源整机效率高，可在任何性质的负载条件下可靠工作。 与其他类型的同功率电源相比较，其优点是体积小、重量轻、电路简单，稳压 范围宽( 1 3 0 v - - 2 8 0 v ) ，效率高( 9 5 ) ，价格低。而其主要缺点是稳压精度 低( 8 1 0 ) ，响应时间偏长，有机械接触，工作寿命短【1 7 】。 一3 一 东北电力大学工学硕上学位论文 1 3 1 3 开关型交流稳压电源 这种电源是把先进的高频开关电源技术引入到交流稳压电源中，从而可以 取得减小体积和重量，节省铜铁材料等效果，具有效率高、响应速度快的优点。 它主要是应用高频脉宽调制( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 技术，与一般开关电 源的区别是它的输出量必须是与输入侧同频、同相的交流电压。它的输出电压 波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源( u p s ) 抽掉其中的蓄 电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源。它的稳压性好，控制功能强， 易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。但因其电路复杂，价格很 高，所以推广较慢。 1 3 1 4 大功率补偿型 大功率补偿型，又称净化型稳压器( 含精密型稳压器) 。它是利用补偿环节 实现输出电压的稳定，易实现微机控制。当输入电压低于额定值时，由补偿环 节产生一个同极性的“电势源 补足输入侧所缺的那部分电压；当输入电压高 于额定值时，由补偿环节产生一个反极性的“电势源 抵消输入侧所超过的那 部分电压【l 引。 它的优点是抗干扰性能好，稳压精度高( 1 ) 、响应快、电路简单、工 作可靠。因具有稳压、抗千扰，响应速度快、价格适中等优点，所以应用广泛。 1 3 2 交流稳压电源的主要技术指标 1 3 2 1 稳态性能指标 ( 1 ) 源电压范围 交流稳压电源并不是在任何交流电压输入的情况下，都能使输出电压稳定， 而是有一个适应范围。一般情况下要求输入电压在额定值的1 5 - , + 1 0 范围内 变化，也有的要求适应范围更大一些。 ( 2 ) 源电压效应( 亦称电压调整率) 一4 一 弟1 覃绪论 定义为“仅由于输入电压的变化而引起输出量变化的效应 ，除了源电压以 外的其它量应符合基准条件。改变量是源电压，被测量是输出电压的稳态值。 当负载为额定值时，将输入电压按源电压范围由额定值向上调到上限值和往下 调到下限值，测量电压的最大变化量( ) 。 用下式表示： s ，：坐墼1 0 0 ( 1 1 ) 。 u 。 式中阮。一在输入电压往上或往下调节时，输出电压变化的最大值( v ) ； 一输出电压额定值( v ) 。 s 越小越好，是衡量交流稳压电源性能的一个重要指标。 ( 3 ) 负载效应( 亦称负载调整率) 定义为“仅由于负载的变化引起输出量变化的效应”。除负载以外的其他量 应符合基准条件。改变量是由负载( 输入电压取额定值或取最低值和最高值两 种情况) ，被测量是输出电压的稳态值。负载电流取0 - 5 0 、5 0 - - 1 0 0 ( 由小 到大，再由大到小) ，测量输出电压的变化量( ) 。 用下式表示： s ：丝坠1 0 0 ( 1 2 ) u “ 式中碥。一由于负载变化引起输出电压的最大变化量。 这个值越小越好，也是衡量交流稳压电源性能的一个重要指标。 ( 4 ) 输出电压相对谐波含量( 亦称为输出电压失真度) 输出电压相对谐波含量通常用t h d 表示，这一指标定义为“谐波含量的总有 效值与基波有效值之比”，即： r = - 册：坚 ( 1 3 ) u 1 式中一刀次谐波电压有效值： 矾一基波电压有效值。 这个值越小越好，也是衡量交流稳压电源性能的一个重要指标。 ( 5 ) 效率 东北电力大学工学硕士学位论文 这也是交流稳压电源的一项重要指标。它的定义是所有的影响量均在基准条 件下输出的有功功率r 与输入的有功功率只之比( 百分数) ，即 。* p1 n n o ， ( 1 4 ) 玎= d ox 1 0 0 v 。 只 当输入电压、输出电压、电流均为正弦波时，也可以如下定义 ，7 ：u o l oc o s q o 1 0 0 ( 1 5 ) u i i i c o s 蛾 式中：玩、厶、一输出电压、电流有效值及二者的相位差； u 、五、仍一输入电压、电流有效值及二者的相位差。 电源整机的效率越高越好。效率高时，表明节约电能，还可以减少机内温升， 从而提高电源设备的工作可靠性。 ( 6 ) 负载功率因数 交流稳压电源，一般都用伏安( v a ) 或千伏安( k 、，a ) 值来表示容量，原 因是负载中除纯电阻性负载外，还有感性负载和容性负载，即负载中除有功功 率外，还有无功功率。这个指标反映了交流稳压电源带感性及容性负载的能力， 用以下公式表达： s = 网 式中尸一有功功率，尸= $ c o s 西： q 一无功功率，q = s m n 少； ( 1 - 6 ) 妒输出电压与电流之间的相位差。 当咖= 纱时，负载是纯阻性；当矽= 9 0 。时，负载是纯电抗性( 即纯感性或纯容性) 。 一般的交流稳压电源，负载功率因数c o s 矽为o 8 。该值小些较好。此数值较小 时，表示电源设备适应电抗性负载的能力较强【1 9 1 。 1 3 2 2 动态性能指标 动态性能，也称瞬变特性。它反映输入电压或负载电流突然变化时含往上和 往下阶跃，输出电压的响应程度。 ( 1 ) 源电压阶跃情况 突然改变源电压( 一般由额定值突升5 一1 0 和突降5 - 1 0 ) ，观察输出电压 一6 一 第l 苹绪论 的最大过冲幅值和瞬态总恢复时间( 亦称响应时间) 。 过冲幅值是由输出电压额定值( 一般观察峰值点) 至上冲总量的差值( 取绝 对值) ，此值越小越好。 总恢复时间是指从阶跃量作用时刻算起，至输出电压峰值恢复到领定情况为 止的时间。此值越小越好。 ( 2 ) 负载阶跃情况 突然改变负载电流( 一般由输出电流额定值的3 0 一5 0 ，再做额定值的 8 0 - 1 0 0 。为简单起见，也可做空载到半载的突升和突降后，再做半载至满载 的突升和突降) ，观察输出电压的最大过冲幅值和总恢复时间。 此值越小越好。 1 4 本文主要内容 本文的主要研究内容包括： 1 在查阅了相关文献的基础上，根据现有稳压电源存在的问题，本文主要 对现有稳压电源的拓扑结构进行了改进性分析研究，提出了两种改进方案，实 现了简化斩波电路、降低硬件成本、提高工作可靠性等目的。 2 先后对两种改进电路的具体实现进行设计，并运用p s c a d 4 0 仿真软件 进行仿真，用仿真结果证明了方案的可行性。 3 对改进电源的主电路和控制电路进行设计，并以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核 心处理器对控制算法进行软件设计。 4 制作两台1 1 0 v ，1 1 0 0 v a 的单相工频交流稳压电源，进一步验证了理论 分析和仿真结果的正确性和可行性。 一7 一 东北电力大学工学硕上学位论文 第2 章交流稳压电源的理论研究 本章先后对设计的两种交流稳压电源的拓扑结构及控制方式进行了理论说 明，并给出了仿真结果。 2 1 主要设计技术参数 ( 1 ) 输入电压适应范围：三相，每相1 7 0 2 6 0 v 、5 0 h z ； ( 2 ) 额定输出容量3 3 k v a ，每相1 i k v a ； ( 3 ) 输出电压：2 2 0 v 、5 0 h z ； ( 4 ) 输出电压稳压精度：0 3 ； ( 5 ) 效率：9 5 以上( 电阻性负载) ； ( 6 ) 动态响应时间：0 0 2 s ； ( 7 ) 短时过载能力：负载额定电流的1 5 倍； ( 8 ) 采用分相调节，具有三相输出自动平衡功能； ( 9 ) 保护功能：对主回路故障进行判断报警功能，以及过压、欠压保护功 能且能自动延时恢复；同时具有缺相自动断电保护功能。 2 2 系统组成和工作原理 单相交流稳压电源电路由a d 采样、p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制、 新型交流斩控电路和l c 滤波及补偿变压器构成。其中a d 采样部分能够实现 对输入电压模拟量实时采样，将模拟量线性转换成对应的数字量，它的精度直 接影响到输出的精度；p w m 控制部分输出某一斩波频率的占空比可调的p w m 脉冲，作为斩波电路的驱动信号；新型交流斩控电路是本文分析的核心内容， 它的结构直接关系到课题的成败；l c 滤波为二阶滤波器，滤除高次谐波。 单相交流稳压电源原理框图如图2 1 所示，由a d 采样电路对交流输入电压 的调理信号进行实时采样，在c p u 内部进行比较，根据比较结果控制p w m 信 一8 一 第2 章交流稳压电源的理论研究 号的占空比，进而控制补偿输出电压的大小和相位，达到稳压的目的。 因控制方式的不同，输出的p w m 波形的极性也不同。在输入电压的正( 负) 半周期内p w m 波形的极性也只是单一极性的称为单极性控制；不管输入电压的 正( 负) 半周期内p w m 波形的极性都是正负交替的则称为双极性控制。本文依 次研究了双极性和单极性拓扑电路。 图2 - 1 单相交流稳压电源的原理框图 2 3 双极性补偿式交流稳压电路原理分析 双极性补偿式交流稳压电路主电路拓扑结构如图2 2 所示。每只i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 与其周围的四只整流二极管构成双向开关电 路。 2 3 1 工作原理分析 图2 - 2 双极性主电路拓扑结构 一9 一 d 东北电力大学工学硕士学位论文 图2 2 中斩波电路由四只i g b t ( v 1 v 4 ) 及2 0 只整流二极管构成。i g b t 全称是绝缘珊双极晶体管，综合了g t r 和m o s f e t 的优点，具有通流能力强、 开关速度较快( 最高可达1 5 0 k h z 左右) 、输入阻抗高、热稳定性好等优点。是 中小功率电力电子设备的主导器件。单管i g b t 目前的最高水平为： 3 0 0 0 a 5 0 0 0 v ，所以有人称“二十一世纪是i g b t 的时代”1 2 0 j 。 设图2 2 中v 1 一v 4 的对应触发信号为9 1 9 4 ，频率为2 0 k h z ，触发电压波 形示意图如图2 3 所示( z 毛。的占空比大于5 0 ) 。 图2 3p w 图形 图中隅。和阮为一对p w m 信号，阮和阮为一对p w m 信号。相位上有意使乇。 与乇。相差一定角度艿( 艿= t 2 一t 1 ) 。 ( a ) 假设在输入断的正半周。 在t o 一南时段，琵。和如同时为高电平，图2 2 中的v 1 和v 4 同时导通，电 流经v 1 、l c 滤波电路、补偿变压器t 、v 4 流回负极，斩波电压z 厶b = 弘 0 ， 电感储存能量：接下来在南一如时段，隅。和毛。同时为高电平，v 1 和v 2 同时导 通，电流经v 1 、l c 滤波电路、补偿变压器t 、v 2 续流，忽略i g b t 的管压降， 厶。= 0 ，电感释放能量：在如一如时段，v 2 和v 3 同时导通，电流经v 2 、补偿变 压器t 、l c 滤波电路、v 3 流回负极，z 厶。= 一隅 0 ，电感反向储存能量；在南一厶 时段，v 3 和v 4 同时导通，电流经v 4 、补偿变压器t 、l c 滤波电路、v 3 续流， = 0 ，电感再次释放能量；如此周而复始直到负半周。 ( b ) 在输入珏的负半周。 第2 章交流稳压电源的理论研究 在t o - 刍时段，琵。和阮同时为高电平，电流经v 4 、补偿变压器t 、l c 滤波 电路、v l 流回负极，斩波电压z 厶b = 强 0 ，电感反向储存 能量：在如一厶时段，v 3 和v 4 同时导通，电流经v 3 、l c 滤波电路、补偿变压 器t 、v 4 续流，玩= 0 ，电感再次释放能量；周而复始直到正半周。 从以上分析可知：无论是输入电压的正负半周，斩波输出电压玩都在正- 0 - 负一0 之间连续变化，玩波形图如图2 - 4 所示( 占空比= 7 0 ，斩波频率为1 k h z ) 。 该电压波形的基波即为待补偿电压，只需用l c 二阶滤波装置滤除谐波，就可通 过补偿变压器补偿至电网。调整触发脉冲的占空比就可改变该基波电压的幅值 和极性，也就是改变了补偿电压的大小和极性实现顺补或逆补。此外，斩波频 率越高，谐波次数越高，越容易滤除，考虑i g b t 的原因，一般斩波频率不宜超 过2 0 k h z 。 图2 - 41 k l i z 时的斩波波形 该控制方式中，关键是在对角桥臂的开通时间上人为加入了一定的延迟， 为导通期间电感的储能提供一个释放回路。如在南一如期间，毛。和醌。同时导通， 即为续流时间，保证了电流的连续性。 另外，实际控制中应根据全控器件的特点适当加入死区，避免直通造成短 东北电力大学工学硕十学位论文 路。i g b t 的死区时间要比m o s f e t 的死区时间大些，一般可设为2 - - 8 u s 。 2 3 2f o u r i e r 分析 设和的占空比为d ，忽略翰和如的相位差进行傅氏分解，可得到斩 波输出表达式如式( 1 ) 。 = ( 2 d - 1 ) u , s i n c o t - 昙言些乎【s i n ( ，z c o j + e ) t 一九) 一s i n ( 刀硝一耐一丸) 】( 2 - 1 ) 式中：d 为u c + 并1 1 妇的占空比；吮= m i d ；畋p 删角频率；，广谐波次数。 由式( 2 - 1 ) 可见的基波= ( 2 d - 1 ) i j 。s i n t ( 0 0 ；在蜀为低时( v l 截止) ，电流流经v 1 并联二极管、 东北电力大学工学硕士学位论文 l c 滤波电路、补偿变压器t 、v 4 续流，电感释放能量，斩波电压玩= 0 。如此 周而复始直到珏小于o 。 庐广 厂 厂 厂 厂 r 厂 胖l 厂 r 厂 厂 r 厂 图2 8 触发电压波形不葸图 ( b ) 珥的负半周( v 4 、v l 截止，v 3 导通) ，在臣为高时( v 2 导通) ，电流流 经v 3 、补偿变压器t 、l c 滤波电路、v 2 回到输入电压隅的负极，电感反向储能， 斩波电压= 踞 o ；在岛为高时( v 2 导通) ，电流流经v 3 、补偿变压器t 、 l c 滤波电路、v 1 并联二极管续流，电感释放能量，斩波电压= 0 。周而复始 至珥大于0 。 2 降压补偿情况 降压时与升压情况类似，只是在输入珥的正半周时斩波电压玩0 ；珏的 负半周时斩波电压0 。 图2 - 9 为升、降压时斩波电压玩与输入电压珏的关系图。 由图2 - 9 可见，升、降压时玩所对应波形正好反相，只需用l c 滤波电路滤出 强。的基波含量即可作为补偿变压器的输入信号，进而实现升、降压补偿。因为 在输入电压的正负半周期内，斩波电压要么大于等于o ，要么小于等于0 ，极性 是单一的，所以把该电路称为单极性斩波电路。 第2 章交流稳压电源的理论研究 输入吩 升压5 降压易 图2 _ 9 升、降压时斩波电压强b 与输入电压珏的关系 2 4 2f o u r i e r 分析 设电源电压u ；的幅值为u ，门极控制信号g 幅值为l 、初相角q = 0 ，则有： 甜，( f ) = c o s ( 2 万+ 口) 式( 2 3 ) 中的n 为整数，d 为占空比，t g 为调制周期 式( 2 - 2 ) 的f o u r i e r 变换为： f ( 国) = 万 万( 国+ ) + 万( 国一) 式( 2 - 3 ) 的f o u r i e r 变换为： 一1 7 一 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 盟2 堡2 + + 乙 曝 疵 行 一 一 一 一 堕2 堡2 一 巧 曝 成 m 仉 = “：， 东北电力大学工学硕士学位论文 g ( 国) = 脚( ) + 量瓤万扣一慨) + 万( 国+ 慨) ( 2 5 ) 经过反变换之后得到： g ( 功) = 万o a ( 6 0 0 ) + 警量 万( 哆+ 慨) + 万一慨) + 万( 一锡一慨) + 艿( 一q + 慨) ( 2 - 6 ) 式( 2 6 ) 中= 一2s i n ( n d z ) 。是调制波频率。哆是电源频率 由( 2 - 6 ) 可见 2 6 - 2 9 】，正弦交流斩波信号中，除了包含正弦信号自身的频率石 外，还含有与调制脉冲频率的整数倍，! 后相关的各种频率成分，这些频率成分对 基波的相对幅度取决于刀和d ，可用下式表示： 4 ，l ，i = la n u ，m m u t r , , = s i n 孑( n d z ) ( 2 - 7 ) 由( 2 - 7 ) 式可见，当调制频率取为2 0 i h z 时，n = 4 0 0 ，a m n 值非常小，可用一个 很小的二阶滤波器滤除。 本电路中，l 取1 0 0 u h 、c 取4 0 u f 。 2 4 3 仿真研究 采用p s c a d e m t d c 软件，依图2 7 搭建仿真模型，进行仿真分析。主要 电路参数为：变压器t 原副边为2 2 0 v 6 0 v ，3 0 0 v a ；滤波器电感1 0 0u h ，电容 4 0u f 。仿真结果如图2 1 0 所示。图中u i 是输入待稳压电压，u o l 是补偿变压 器二次测输出的补偿电压，u o 是稳压电源输出的稳定电压。 第2 章交流稳压电源的理论研究 娄 o o i - - i 幽 母 霎 o o r 一 幽 御 钐淖u i 。a 歹呵圈 咖：5 m s 格 ，、飞 一一一一啊_ h 弋 j 图2 - 1 0 升、降压仿真结果 可见这种单极性拓扑结构具有较好的补偿特性。最关键的是它的斩波前级 外加了一级整流电路，起到了很好的隔离作用，使得高频斩波电路不会影响到 电网回路，造成谐波污染。此电路的明显不足是必须考虑外加同步电路，以确 定控制用触发脉冲的起停点。 2 5 本章小结 基于双极性和单极性两种斩波补偿方式，本章研究了两种稳压电源结构： 双极性稳压电源和单极性稳压电源，分别分析了它们的工作原理和相关计算， 东北电力大学工学硕士学位论文 并进行了仿真。理论分析和仿真结果都表明这两种拓扑结构都具有一定的可行 性并各具优缺点。 总之，这两种电路都较文献电路有所改进。 三相交流稳压电源由a 、b 、c 三个单相交流稳压电源组成，且每相输出电 压均为2 2 0v ，属简单的三乘一的关系，当任一相出现缺相时只需同时断电报警 即可，比较简单，故只分析单相情况。 第3 章交流稳压电源的软硬件设计 第3 章交流稳压电源的软硬件设计 本章针对两种电路结构，分别以主电路、触发电路、采样电路、p w m 控制 电路为单元进行了叙述，详细说明了个部分电路结构和原理，同时给出了控制 程序流程图。 3 1 双极性交流稳压电源的软硬件设计 3 1 1 主电路设计 依据前述双极性交流稳压电源主电路的原理描述，双极性交流稳压电源的 主电路采用类h 桥结构，如图3 - 1 所示。 1 l 图3 - 1 双极性交流稳压电源的主电路 图中采用四只i g b t ( k 5 0 t 6 0 ，耐压6 0 0 v ，最大工作电流5 0 a ) 及相应二 极管( 1 n 4 0 0 7 ) 构成斩波电路，其中每只i g b t 与其周围四只二极管构成双向 导通回路，对输入交流电压斩波处理。每只i g b t 并联一只0 2 2 u f 的吸收电容 消除开关毛刺，保护i g b t ；此处属简化的s n u b b e r 电路。触发信号端加入一个 东北电力大学工学硕士学位论文 3 3 q 限流电阻，本电路中触发电压为1 5 v ，使得触发电流约为0 5 a 。滤波电感 l 必须使用铁心电感( 自绕) ，以免出现磁饱和；滤波电容c 使用c b b 6 0 ( 4 0 u f 、 5 0 h z 、4 5 0 v ) 。补偿变压器参数为2 2 0 6 0 、5 0 h z 、3 0 0 v a ，低压侧静态感抗为 4 6 m h ，高压侧静态感抗为6 0 6 m h 。 3 1 2 触发驱动电路设计 触发驱动电路如图3 3 所示。核心器件之一是光电耦合器6 n 1 3 7 ，主要起隔 离作用，防止主电路的高压串入控制回路，损坏c p u 部分。6 n 1 3 7 的外部框图 和内部原理图如图3 2 所示。 + v f 3 v 譬 v c e v 0 图3 26 n 1 3 7 的外部框图和内部原理图 具体触发电路如图3 3 所示。由于i g b t 的触发电压应控制在1 5 v ，并且光 电耦合器6 n 1 3 7 的驱动能力低，因此在图3 3 中中使用两只高速三极管( 9 0 1 3 ) 作放大驱动。1 5 v 和5 v 电压分别由7 8 1 5 和7 8 0 5 提供。 当图中输入端p w mi n 为低时，6 n 1 3 7 输出端u g 为高，三极管v l 导通， v 2 截至，输出p w mo u t 为低；当输入端p w mi n 为高时，6 n 1 3 7 输出端u g 为低，三极管v 1 截至，v 2 导通，输出p w mo u t 为高。可见，输出恰好与输入 波形一致且同相，但幅值已经升至1 5 v ，可以驱动i g b t 。 发光二极管是驱动电源指示灯，电流约为1 0 6 m a 。三极管放大电路应采用 两管运放的形式，可以提高触发电路的带负载能力，但考虑到图3 3 中采用的是 射极跟随输出，带负载能力也很强，并且该电路没有反向关断电压输出，就没 做过多修改。 第3 章交流稳压电源的软硬件设计 砸j佃3 l 一一m一一m j i 皿 】p d一m l 啮g u 畸 - 目b z 昵c 一 = j l 矿忸， 1 唧u 1 _ jl p db n i t 1 h 一 1 、 叽3 f 一 7 mj l l 、，掘 1日 征c嘟 。一 h 7 、 m田n - 噩正1 。 p w m 、r 1c l l 7 ：弋，配 】 叨z 阳i o 研= a = l l 一 _ _ i 珊) “ ， 1 l d 。 。 图3 - 3 双极性斩波电路的驱动电路( 单级) 另外，目前驱动电路中经常使用i l 也2 3 3 芯片作驱动，它可同时提供6 路驱 动信号。但i r 2 2 3 3 主要是为标准桥提供驱动信号，对本文的类h 桥电路不适合， 主要因为共地问题无法解决，我在实验中曾为此烧毁了五片i r 2 2 3 3 。所以，本 文提到的两种电路的各路驱动信号都必须做到相互间的电气隔离一主要采用降 压变压器隔离。 3 1 3 采样调理电路设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转换电压范围是0 3 3 v 的直流，而本电路的实际采 样电压是2 2 0 v 左右的交流，故采样前需经采样调理电路处理。采样调理电路如 图3 4 所示。图3 4 中+ 5 v 电压经电位器( 2 0 k ) 和两个1 5 k 电阻分压，再经运 放输出取得3 3 v 标准电压为抬升使用。输入电压u i ( 2 2 0 v ) 经互感器后降为幅 值是3 v 的交流信号( 注：此处应是降为有效值是3 v 的交流信号，但这样就会使 采样输入电压的幅值超过3 3 v ，为了便于描述，写为幅值是3 v