（模式识别与智能系统专业论文）无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究.pdf

大连理：r 大学硕士学位论文 摘要 近几十年来，交流稳压电源技术发展飞速，势头迅猛。 由于大型供电系统以及家用电器等应用场合的急速增加，使得七十年代就已存在的 用继电器改变变压器抽头和以炭刷移动触点为主要控制方式的机械调整型交流稳压器 重新焕发青春，主要是鉴于它具有制作工艺简单、工作可靠程度高、功率较大、对负载 适应性好等优点。与此同时，其不可避免的缺点就是机械磨损严重、动态响应速度慢、 工作寿命时间短、系统抗干扰能力弱等。 从当前的电源技术发展趋势来看，应当采用单片机控制无触点型取代伺服电机和机 械传动系统，使用半导体器件实现无触点控制，从而达到延长使用寿命、提高动态响应 速度的目的。 针对目前交流稳压电源技术的发展需要，本文设计了单片机控制的无触点补偿式交 流稳压电源。该电源的主电路是补偿变压器，运用单片机和有关元件构成反馈控制网络， 用双向可控硅作为开关器件。通过采用过零关断技术和触发技术，单片机作为控制器， 对补偿变压器绕组通过双向可控硅进行不同的组合控制，从而输出稳定的交流电压。由 于没有滑动触点而且双向可控硅过零触发，输出的交流电压波形是连续的且几乎不失 真，不产生高次谐波的空间辐射。单片机还增加了电源的智能故障检测功能。 本文设计的交流稳压电源，调压范围宽、动态响应速度快、输出正弦波失真度小、 智能化程序高、抗干扰能力强、功率因数和效率比较高，可带电感性和电容性负载。其 稳压精度比较高，完全可以满足一般场合的需要。 关键词：无触点；补偿式；双向可控硅：单片机 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 r e s e a r c h i n go nn o n - c o n t a c th i g hp o w e ra cc o m p e n s a t e d s t a b i l i z e r a b s t r a c t a g r e a td e v e l o p m e n th a sh a p p e n e di nt h et e c h n o l o g yo fa cv o l t a g e - s t a b i l i z e ds o u r c e d u r i n gm a n yy e a r s w i t ht h ei n c r e a s m e n to fa p p l y i n go c c a s i o ns u c ha sl a r g e s c a l ep o w e r s u p p l ya n df a m i l ye l e c t r i ca p p a r a t u s ，i tm a k e sm e c h a n i ca d j u s t m e n ta cv o l t a g e s t a b i l i z e d s o u r c eb e c o m ea c t i v e l ya n du s e f u l l ya g a i n t h i sk i n do fa cv o l t a g e s t a b i l i z e ds o u r c eh a d b e e ni ns e v e n t i e s i ti sc o n t r o l l e db yt w om e t h o d s ，o n ei st ou s et h ec o n t a c to fr e l a yt oc h a n g e t h et a po ft r a n s f o r m e r ，t h eo t h e ri st oc h a n g et h ep l a c eo fc h a r c o a lb r u s hm o v i n gc o n t a c t i t h a st h ea d v a n t a g eo fm a k i n gs i m p l y ，w o r k i n gs t a b i l i z a t i o n ，h i 曲p o w e ra n dg o o da d a p t i v ef o r l o a d a tt h es a m et i m e ，i t sd i s a d v a n t a g ei n v o l v e sm e c h a n i ca b r a d e ，l o n gr e a c t i v et i m e ，s h o r t w o r kl i f ea n dl o wa n t i - j a m m i n g f r o mt h es t a n d p o i n to ft e c h n o l o g y ，w es h o u l du s eam c u w i t h o u tc o n t a c tt o r e p l a c es e r v om o t o r ，a n d u s es e m i c o n d u c t o rd e v i c et or e a l i z et h e n o n c o n t a c tc o n t r o lo fl o n g e nu s i n gl i f ea n ds h o r t e nr e a c t i v et i m e t om e e tt h en e e do fd e v e l o p i n gp o w e rt e c h n o l o g y ，m yp a p e rd e s i g n san o v e ln o n c o n t a c t h i 曲p o w e ra cc o m p e n s a t e ds t a b i l i z e r t h em a i nc i r c u i to ft h er e g u l a t i o ni sa nc o m p e n s a t e d t r a n s f o r m e r , w h i c hf o r m saf e e d b a c kc o n t r o ln e t w o r kw i t ham c u a n do t h e re l e m e n t st o c o m p o s et h ea cr e g u l a t o r i tu s e sb i - d i r e c t i o n a lt r i o d et h y r i s t o ra se l e c t r o n i cs w i t ha n d u s e sa m c ua sc o n t r o l l e r i nt h i sr e g u l a t o rs y s t e m ，am c uc o n t r o l sb i d i r e c t i o n a lt r i o d et h y r i s t o r t r i g g e r e da n dt u r n o f fa tz e r o - c r o s s i n gt oc o n t r o ld i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fs e c o n d a r yc o i la n d r e a l i z ea cv o l t a g es t a b i l i z a t i o n s ot h eo u t p u tv o l t a g ef r o mt h i sk i n do fr e g u l a t o ri sc o n s t a n t ， u n d i s t o r t e da n dn oh a r m o n i cr a d i a t i o n am c ua d d si n t e l l i g e n tf a u l tp r o c e s s i n gt or e g u l a t o r t h eu n i th a st h ef e a t u r e so fw i d ev o l t a g ec o n t r o l l e dr a n g e ，f a s tr e s p o n ds p e e d ，s m a l l d i s t o r t i o nf a c t o ro fs i n ew a v ei no u t p u t ，h i g hi n t e l l i g e n c e ，s t r o n ga n t i i n t e r f r e n c ea b i l i t ya n d h i g hp o w e rf a c t o ra n de f f i c i e n c y i tc a nc a r r yi n d u c t i v ea n dc a p a t i v el o a d s i tc a na c h i e v e h i g h e rv o l t a g es t a b i l i z e da c c u r a c ya n dc a n m e e tc o m m o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：n o n - c o n t a c t ：c o m p e n s a t e ds t a b i l i z e r ；b c r ：m c u 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：随墨日期：2 = 尘! ! ： ： 大连理t 大学硕士研究生学位沧文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被套阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者虢丝! ： 导师签名 ! 堡丝年l 月旦日 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着我国社会经济和科学技术的迅猛发展，计算机机的运用更加广泛，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。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曰益发展的需要i l “。 当前市场上的交流稳压电源，有继电器控制和伺服电机控制的交流稳压电源两类。 前者是一种有级调整、价格低廉、效率较高，但由于是有级调整，极容易造成电压跳动 和瞬间断电，用于计算机及带微电脑的家用电器、智能化仪器仪表等容易造成故障。后 者是一种无级调整、效率高、调压范围宽、波形失真小，但是功能比较单一，性能和可 靠性欠佳，没有实现智能化，不能数字显示1 4 】。 为此，本文研制了单片机控制多功能交流稳压电源，具有稳压精度好、效率高、适 用范围宽，且能自动连续调压，波形失真小，特别是由于采用了单片机，实现了智能化， 具有数字显示输出电压、稳压精度等功能。 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i j 。目前无触点的稳压电源形式多样，但是由于可靠性、成本等等原因，这 些技术尚未得到很好的运用和推广【“。本文采用双向可控硅作补偿变压器的一次绕组的 开关元件，去掉自藕调压变压器。通过单片机实现实时控制双向可控硅的开关状态，从 而控制补偿变压器的补偿与否，以达到稳压目的的一种新型稳压电源。 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 1 交流稳压电源的分类及主要技术指标 1 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定电源。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1 0 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n 按交流稳压电源的工作原理，可以分成四类。 1 1 1 参数调整( 谐振) 型 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5 0 年代已流行的 “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【8 1 。 1 ，1 2 自耦( 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耦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，呵在任何性质的负载条件下可靠： 作。与其他类型的同 大连理：f 大学硕十学位论文 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 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 w m ) 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 14 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。 它的优点是抗干扰性能好，稳压精度高( 1 ) 、响应快( 4 0 6 0 m s ) 、电路 简单、工作可靠。缺点是：带计算机，程控交换机等非线性负载时有低频振荡现象；输 入侧电流失真度大，源功率因数较低；输出电压对输入电压有相移。对抗干扰功能要求 较高的单位，在城市里应用为宣，计算机供电时，必须选用计算机总功率的2 3 倍左右 稳压器来使用b o 。因具有稳压、抗干扰，响应速度快、价格适中等优点，所以应用广泛。 1 2 交流稳压电源的主要技术指标 1 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一1 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) 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 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 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，测量输出电 压的最大变化量( ) 。 用下式表示： s v ：a u m a x 1 0 0 ( 1 1 ) u o n 其中：um a x 在输入电压往上或往下调节时，输出电压变化的最大值( v ) ： u o n 输出电压额定值( v ) 。 这个值越小越好，是衡量交流稳压电源性能的个重要指标。 ( 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 l = 塑里1 0 0 ( 1 2 ) u o n 其中：u m a x 由于负载变化引起输出电压的最大变化量( v ) 。 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，这一指标上的理论上定义为“谐波含量 的总有效值与基波有效值之比”，即 z 日d = u 1 ( 1 3 ) 其中：u w 1 1 次谐波电压有效值； u ，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 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p o 与输入的有功功率p i 之比( 百分数) ，即： 大连理二 ：大学硕士学位论文 叩；p _ 。2 1 0 0 i u u ， o ( 1 4 ) 叩# n o 1 1 q j 当输入和输出电压、电流均为正弦波时，也可以如下定义： 叼；u o i o c o s q ；o 1 0 0 ( 1 5 ) u i i i c o $ 叻 其中：u o 、i o 、妒。输出电压、电流( 有效值) 及二者的相位差： u i 、i i 、舻j 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 v 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 暑p 2 + q 2( 1 6 ) 其中：p 有功功率，p = sc o s q ) o 无功功率，q = ss i n 妒 妒输出电压与电流之间的相位差。 当舻= 0 时，负载是纯阻性： 舻= 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 q ) 为0 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 1 i 。 1 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 l o 和突降5 1 0 ) ，观察输出电 压的最大过冲幅值和瞬态总恢复时j 刨( 亦称响应时间) 。 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 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额定情况为止的时 间。此值越小越好。 ( 2 ) 负载阶跃情况 突然改变负载电流( 般由输出电流额定值的3 0 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。 大连理工大学硕士学位论文 2 无触点补偿式交流稳压电源的总体设计 2 1 主要设计技术参数 ( 1 ) 输入电压适应范围：三相，每相1 8 5 2 5 5 v 、5 0 h z ： ( 2 ) 额定输出容量：6 0 k v a ，每相2 0 k v a ； ( 3 ) 输出电压：2 2 0 v ； ( 4 ) 输出电压稳压精度：2 5 ； ( 5 ) 效率：9 5 以上( 电阻性负载) ； ( 6 ) 动态响应时间：0 0 3 0 0 5 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。 2 2 补偿式交流稳压电源的基本原理 图2 1 补偿式交流稳压器原理框图 f i g 2 1t h eb l o c kd i a g r a mo fc o m p e n s a t e da cs t a b i l i z e r 图2 1 为补偿式交流稳压器电路原理结构框图。 图中，由补偿变压器等组成补偿单元，用双向可控硅作丌关器件组成无触点可控调 节单元，控制电路由a 巾转换( 采样) 、单片机控制器、报警指示单元及保护单元组成。 当输入电压u ，波动或负载电流变化时，通过采样变压器获取反馈电压，经p d 转换 输入单片机与基准值进行比较，由微机程序软件进行判断处理，输出控制指令。在电压 陈将：无触点火功率补偿式交流稳压电源的研究 过零同步脉冲的作用下，使相应的开关器件导通，切换对应的补偿变压器的组合绕组 改变补偿电压的值，从而快速地达到稳定输出电压u 。的目的。 其等效电路及矢量图，如图2 2 所示。 图中，u - 为待稳定的电网输入电压，u s 为补偿电压。 u b = 七1 咖1 + k 2 l b 2 + k 3 x u b 3 ( 2 1 ) 其中：k l = 1 、0 、+ 1 ： k 2 = 一1 、0 、+ 1 ： k 3 = - 1 、0 、+ 1 ： 当u 与u b 为工频正弦电压时，则u 。= u ，+ u e 也是工频正弦电压。 根据余弦定理，可得： u o = f 叻2 + 【b 2 + 2 u ，u c o s a ) 2 ( 2 2 ) 其中：u o 、u i 、u b 分别是u o 、u l 、u b 的模； n u i 与u b 之间的相位差。 可见，当输入电压u ，变化时，适当地改变补偿电压u b ，则可保持输出电压u o 不变。 改变补偿电压u b 的模和相位，可实现输出电压的稳定。 本文采用的方式是改变补偿电压u b 的模。 令口= 0 或a = ，则有： ! u 。= 2 + 阮2 2 肼n ) 2 ( 2 3 ) 即 u o = 饥砺( 2 4 ) u 图22 矢量图 f i g 2 2t h ev e c t o r g r a p ho fc o m p e n s a t e da cs t a b i l i z e r 大连理：= - 大学硕士学位论文 当u i i o ，忽略空载励磁磁势，得： j l 矿l + j 胛2 ：0( 2 1 4 ) j 。：一坠，：一坠j 。：一! j 。( 2 1 5 ) w 1w 1k 其中，k 为补偿变压器变比。 补偿变压器一次边电流有效值i 应等于： 1 = 三k ，l ( 2 1 6 ) 当晶闸管关断时，h = o ，但由干i l 存在，负载磁势k w z 全部用作补偿变压器的励 磁。此时的励磁磁势，将达空载励磁磁势的l o 多倍，致使铁磁材料深度饱和，铁损大 大增加，铁芯发热。同时，由于磁通大量增加，将在补偿变压器初次级产生过电压，使 稳压器无法正常工作。 所以，补偿变压器的一次绕组回路，是绝对不能开路的。 这是补偿变压器与一般用途的变压器不同之处，也是研制用晶闸管无触点调压器替 代接触式调压器必须解决的问题。 本文通过采取在每台补偿变压器的一次侧加装电阻r 和电容c 的方法，图2 3 中的 r l 、r 、r 3 、c 1 、c 2 、c 3 ，较好地解决了这个问题。 在主电路中，每一级补偿电路中，必须得保持同一组中两个可控硅有。个处于导通 状态。 当需要提供f 向补偿电压时，三个补偿变压器有7 种组合： 大连理大学硕士学位论文 当需要提供反向补偿电压时，三个补偿变压器有7 种组合； 当不需要提供补偿电压时，三个补偿变压器有2 种组合； 共有1 6 种组合，如表2 1 所示。 表2 1 各种组台及对应的补偿电压 t a b ，2 1t h ec o m b i n a t i o n sa n dt h e i rc o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t e d v o l t a g e 2 3 4 双向可控硅短路报警 为应对双向可控硅短路的情况，本文专门进行了报警电路的设计，如图2 5 所示。 图中，四组可控硅分别接入保险丝n 、f 2 、f 3 和f 4 。 具体工作过程如下： 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 以第一组可控硅s 1 和s 2 为例，正常工作时，f 1 两端电压为零，继电器j 1 不吸合， 触点j k l 1 和j k l 2 常开，电路不报警。当出现可控硅短路时，f 1 熔断，其两端电压不 为零，j 1 吸合，触点j k l 1 和j k l 2 由常开变为接通，电路报警，蜂鸣器开始呼叫。 四组可控硅，只要有一组出现短路故障，电路就开始报警。 uu 廿- l u 5 iu ”i 思1 。恕； u t r 一1 r 2 m r r 。 - j _ 1聘。 r 。1 i 世 _ 。要工 u o -j 世1 l 埋纠。l 一 广s a - 一 s 矗 - 一 j s ne ! j 1 一 一 r 】r 2 i r 3 0 一 = u 一 j k 2 1j k 3 1 lll j k l 1 c 】：=( 2 2 = a - -c 3 = 三 l j k l 币怼珥j p 一2 一k 4 2 l j h a $ s 主1!s i 、1s a s s - xz njn 图2 5 可控硅短路报警电路图 f i g 2 5s c h e m a t i c o fs c rs h o r tc i r c u i tw a r n i n g 大连理工大学硕士学位论文 3 硬件系统设计 3 1 硬件系统的整体框架 3 1 1 主回路 一相的主回路电路，如图3 1 所示。 根据稳压精度及输入电压范围的要求，本文选择3 台补偿变压器t r 、t r ：、t r ，。 图中，t r ：、t r2 、t r 3 是三个独立的补偿变压器，其次级绕组上的补偿电压u n 可 以设计为i o v 、2 0 v 、4 0 v ( 或者5 v 、i o v 、2 0 v ) 等。当顺极性( 或反极性) 叠加全 部投入时，可以获得最大f 负补偿电压为7 0 v ( 或者3 5 v ) 。当u e 最小值为5 v 时，稳压 精度可优于2 5 。 us u 。i 7 j i t r n 垃一 s a s i j生os a! r r 1r 2 尊 r 晒 u 。u8 q c #c 拦 t s z xs a z s i jzs 8 奢 n n 图3 1 补偿式稳压器主电路图 b i g 3 1t h em a i nc i r c u i to fc o m p e n s a t e da c s t a b i l i z e r s - s 8 为双向可控硅，它与补偿变压器t r 、t r 2 、t r 甥l 成“多全桥电路”形式， 图中s ，和s s 为公用桥臂，它分别与s - 和s z 、s ，和s 一、& 和s e 组成三个全桥电路。 工作过程如下： 当输入电压u - 高于额定值u w 时( 相当于输入电压u - 升高或者负载减小) ，要求补 偿变压器t r ，、t r ：、t r ，中的一个、两个或三个同时工作，产生反极性的电动势来抵 消u 升高的那部分电压。例如：经判断仅需t r ：投入时( 设u t 极性为u 卜n 负) ，可触 发s 1 和s 8 导通，电流通路为：u t r 。( 上绕组) 一s 一t r ( 下绕组) 一s s n 。，当u 、 n 反极性时，沿上述通路反向流动。 陈将：无触点火功率补偿式交流稳压电源的研究 当输入电压u - 低于额定值u 时( 相当于输入电压u - 降低或者负载增大) ，需要 t r 产生顺极性电动势补足u 所缺的那部分电压，可使s z 和s ，导通。电流通路为：u t r ，( 上绕组) 一s ，一t r ，( 下绕组) 一s ：一n 。当u 、n 反极性时，沿上述通路反向流 动。 如果u 一升高( 或降低) 较多，需要t r l 和t r 2 同时投入，在u 高于额定值时， 可使s - 、s s 和s 8 导通；在u l 低于额定值u w 时，可使s ：、s t 和s ，导通。 如果需要t r ，、t r ：和t r ，都投入，在u 高于额定值u i n 时，使s - 、s ，、s s 和s 8 导 通：在u z 低于额定值u m 时，使s ：、s n 、s s 和s ，导通。 双向可控硅网络安排在补偿变压器的输出侧，可提高其抗干扰能力，此时的t r 、 t r ：、t r 3 都有滤波作用，可吸收电网侧的各种瞬态干扰。在输入输出侧接入压敏电阻 r v nr v 2 ，可防止各种过电压( 或感应雷电) 信号的串入。开关器件不在负载电流的 主通路中，从而使其易于选择，并可靠工作。 3 12 控制电路 该稳压器控制电路的硬件组成与工作原理见图3 2 ，它由8 0 5 1 单片机系统、外扩检 测、驱动等接口电路构成。 2 叫引巫垮 图3 2 控制电路原理图 f i g ，3 ，2t h ed i a g r a mo fc o n t r o l l e dc i r c u i t 输入电压变化经a c d c 变换电路，转换成0 5 v 的直流信号，后经模数转换器 a d c 0 8 0 9 输入8 0 5 1 单片机，由c p u 检测稳压电源输入值。 双向可控硅由光隔离光耦合过零触发双向几了控硅驱动器m o c 3 0 6 1 驱动。 u e r 一 删 一 鞘 大连理工大学硕士学位论文 3 2 电压采样电路 3 2 1a d c 0 8 0 9 的特性 选用不同分辨率的a i d 转换器将直接影响对模拟量的近似程度，进而影响测量值的 淮确性。理论上应选用高分辨率的a d 转换器，因为分辨率越高，可能产生的量化误差 越小【1 3 】。 对a d 转换器位数的另一点考虑，是因为本文采用的微处理机是8 位的，采用8 位 以下的a d 转换器，其接口电路最简单。因为绝大部分a d 转换器的数据输出都具t t l 电平，而且数据输出寄存器具有可控三态输出功能，可以直接挂在数据总线上。如果采 用8 位以上的a d 转换器，就要加缓冲器接口，数据要分两次读出【。 所以，在实际设计中，考虑到系统的性能要求应该选用8 位分辨率以上的a i d 转换 器。最后选用了8 位串行a d 转换器a d c 0 8 0 9 ，使得模数转换的精度高于系统的总体 精度。 ( 1 )a d 转换器的基本原理与分类 a d 转换器的种类很多，但从原理上通常可分为以下四种：计数器式a d 转换器， 双积分式a d 转换器，逐次逼近式a d 转换器，并行a d d 转换器。 计数器式a d 转换器，结构很简单，但转换速度也很慢，所以很少采用。 双积分式a d 转换器，抗干扰能力强，转换精度也很高，但转换速度不够理想， 常用于数字式测量仪表中。 计算机中广泛采用逐次逼近式a d 转换器作为接口电路，就是因为它的结构不 太复杂，转换速度也高。 并行a d 转换器，转换速度最快，但因结构复杂而造价较高，适用于那些转换 速度极高的场合。 下面简要介绍逐次逼近式a 仍转换器的基本原理。 逐次逼近式a i d 转换器的电路原理图，如图3 | 3 所示。 其主要原理为： 将一待转换的模拟输入信号u “与一个推测信号u 相比较，根据推测信号大于还是 小于输入信号来决定增大还是减小该推测信号，以便向模拟输入信号逼近。推测信号由 d a 转换器的输出获得，当推测信号与模拟信号相等时，向d a 转换器输入的数字就是 对应模拟输入量的数字量。 其推测值的算法如下： 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压屯源的研究 使二进制计数器中( 输出锁存器) 的每一位从最高位起依次置1 ，每接一位时，都 要进行测试。若模拟输入信号u “小于推测信号u ，则比较器输出为零，并使该位清零； 若模拟输入信号u m 大于推测信号u ，比较器输出为1 ，并使该位保持为1 。无论哪种 情况，均应继续比较下位，直到最末位为止。此时，d a 转换器的数字输入即为对应 模拟输入信号的数字量。将此数字量输出，就完成了a d 转换过程。 ( | | 图3 3 逐次逼近式a 母转换器工作原理图 f i g 3 3t h ed i a g r a mo fs u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na dc o n v e r t o r ( 2 ) a d c 0 8 0 9 的内部结构及引脚功能 a d c 0 8 0 9 的内部结构，如图3 4 所示。 片内带有锁存功能的8 路模拟多路开关，可对8 路0 5 v 的输入模拟电压信号分时 进行转换，片内具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、2 5 6 r 电阻t 型网络、 树状电子开关、逐次逼近寄存器s a r 、控制与时序电路等。输出典有t 1 1 lj 态锁存缓 冲器，可直接连到单片机数据总线上。 主要指标 分辨率为8 位； 大连理l 大学硕士学位论文 最大不可调误差小于1 l s b ： 单一+ 5 v 供电，模拟输入范围为0 5 v ； 具有锁存控制的8 路模拟形状： 可锁存三态输出，输出与t 1 乙兼容： 功耗为1 5 m w ； 不必进行零点和满度调整； 转换速度取决于芯片的时钟频率。时钟频率范围：1 0 1 2 8 0 k h z ，当c l k = 5 0 0 k h z 时，转换速度为1 2 8 峪。 8 路模拟输入 地址颤存允许 起动时钟 v e eg n i ) r e f “)g e t ( - )# m a # 图3 4a d c 0 8 0 9 的内部结构 f i g 3 4t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo f a d c 0 8 0 9 啦# m 引脚 a d c 0 8 0 9 采用d i p 双列直插式封装，共有2 8 个引脚。 1 ) i n o i n 7 ( 8 条) i n o i n 7 ：8 路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。 2 ) 地址输入和控制( 4 条) a l e ：地址锁存允许输入线，高电平有效。当a l e 为高电平时，a d d a 、a d d b 和a d d c 三条地址线上的地址信号得以锁存，经译码后控制八路模拟开关工 作。 陈将：无触点大功率补偿式交流稳压电源的研究 a d d a 、a d d b 和a d d c ：地址输入线，用于选择i n o i n 7 上哪一路模拟电压 送给比较器进行a d 转换。 3 ) 数字量输出及控制线( 1 1 条) s t a r t ：“启动输入脉冲”输入线，该线上f 脉冲由c p u 送来，宽度应大于 l o o n s ，上升沿清零s a r ，下降沿启动a d c 工作。 e o c ：转换结束输出线，该线上高电平表示a d 转换已结束，数字量已锁入“三 态输出锁存器”。 2 - * 2 ：数字量输出线，2 。为最高位。 o e ：输出允许线，高电平时能使2 - 1 2 “引脚上输出转换后的数字量。 4 ) 电源线及其它( 5 条) c l k ：时钟输入线，用于为a d c 0 8 0 9 提供逐次比较所需的6 4 0 k h z 时钟脉冲 序列。 v c c ：+ 5 v 电源输入线。 g n d ：地线。 r e f ( + ) 和r e f ( 一) ：参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。一 般r e f ( + ) 与v c c 连接，r e f ( - - ) 接地。 ( 3 ) a d c 0 8 0 9 与单片机的接口设计 本文采用的硬件接口是查询方式，如图3 5 所示。 由于a d c 0 8 0 9 片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存允许信号a l e 经d 触发 器二分频后获得，舢疆脚的频率是单片机时钟频率的1 6 。如果单片机时钟频率采用 6 m h z ，则a l e 引脚的输出频率为1 m h z ，再二分频后为5 0 0 k h z ，符合a d c 0 8 0 9 对时 钟频率的要求。由于a d c 0 8 0 9 具有输出三态锁存器，故其8 位数据输出引脚可直接与 数据总线相连。地址译码引脚a 、b 、c 分别与地址总线的低三位a 。、a 】、a ：相连， 以选通i n o 科，中的一个通道。将p 2 7 ( 地址线最高位s ) 作为片选信号，在启动 a j d 转换时，由单片机的写信号w r 和p 2 7 控制a d c 的地址锁存和转换启动。由于 a l e 和s t a r t 连在一起，因此a d c 0 8 0 9 在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取 转换结果时，用单片机的读信号r d 和p 2 7 引脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为 o e 信号，用以打开三态输出锁存器。 ：= = = = 一 爿上e = s z 4 r t = w r + p 27 = = = = ：一 d e = r d + 尸2 7 - 2 0 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 大连理工大学硕士学位论文 由此可见，p 2 ，7 应置为低电平。 因此，编写软件时，令p 2 7 = a 1 5 = 0 ；a o 、a 1 、a 2 给出被选择的模拟通道的地址 执行一条输出指令，启动a d 转换；执行一条输入指令，读取a d 转换结果。 叫三吾f 醐+ r e f ( - i 一”i e l k a d da 2 i5 i6 1 。 a d db a d dc 1 1 i等一+ 5 v a l e ”一” 自 a t 8 9 c 5 1 3 j 4 7 j 81 3 1 4 1 7 1 8 上 a d c 0 8 0 9 p 0 0 一iil 2 - 1i n 7 p 0 1 j 2 0i n 6 p 0 2 0i n 5 p 0 3 l 1 4 i n 4 p 0 42 - 5 i n 3 p 0 52 - 6i n 2 p 0 6 2 - 7 i n l p 0 72 4 i n 0 w r l i s t a r t p 27 a l e l 。i 7 4 l s 0 2 r d l 十| - 0 e 圈3 ，5 单片机与a d c 0 8 0 9 的接口电路 f i g 3 5t h ei n t e r f a c eb e t w e e nm c u a n da d c 0 8 0 9 下面程序是采用查询方法，分别对3 路模拟信号轮流采样一次，并依次把结果转存 到数据存储区的采样转换程序。 m a i n ：m o vr 1 ，# d a t a；置数据区首地址 m o vd f f r ，# 7 f f 8 h；p 2 7 = 0 ，且指向通道0 m o vr 7 0 3 h；置通道数 l o o p ：m o v x d p t r ，a；启动a d 转换 m o vr 6 ，# 0 a h；软件延时 d l a y ：n o p n o p n o p 陈将：无触点人功率补偿式交流稳压电源的研究 n o p n o p d j n zr 6 ，d l a y m o v xa ， d p t r m o v r 1 ，a 矾cd 脚t d i cr 1 d j n z r 7 ，l o o p ；读取转换结果 ；存储数据 ；指向下一个通道 ；修改数据区指针 ；3 个通道全采样完了吗? 3 2 2 采样电路 如图3 6 所示，输入电压u 经采样变压器t g 降压后，通过绕组n z l 及电位器r p t 送 至由d t d a ，及。组成的整流滤波电路，r s 与r ：对工作电源( + 1 2 v ) 进行分压，给 运放i c 的