895191627数字补偿式交流稳压器论文

1、摘 要二次电源作为负载的能量供应装置，在电路系统中起着非常重要的作用。尤其在我国，交流电网的电压波动较大、干扰较多，二次电源已成为许多电子设备不可缺少的供电装置。安全可靠、技术性能符合负载要求的电源，可使负载的功能得以充分发挥，否则，可能使负载的技术指标降低，甚至会损坏负载。因此，作为二次供电电源，交流稳压电源己广泛用于工业生产、军事设施、医疗仪器及日常生活等各个方面，成为电子设备和机电设备可靠运行的基础设备，为了延长用电设备的使用寿命，降低工厂的经济损失，应保证其供电电压的稳定。尤其在工业现场环境下，电网品质差，电网波形畸变严重。因此，研制一种高效可靠的交流稳压电源作为负载的二次供电电源十分

2、必要。本课题是利用单片机（at89s52）控制技术控制开关器件的通断，并按补偿电压的大小接入或切除某个补偿变压器，进行快速适时调节，保证了了供电电压的稳定。该设计主要分为以下六个模块：补偿单元、调节单元、单片机控制单元、半波整流单元、a/d转换单元、保护单元及报警单元。关键词：补偿式、交流稳压器、单片机、a/d转换abstractsecondary power sources took tthe energy supply device of the load, is playing a very important role in the circuitry.especially in ou

3、r country, in alternate current network the voltage is more fluctuations, and more interference, secondary power sources have become indispensable power supply device in many electronic devices. safe and reliable, with technical performance requirements of the power load, the load can be fully funct

4、ional play, or else possibly causes the load the technical specification to reduce, even can damage the load. therefore, as a secondary power supply,ac voltage-stabilized source has been widely uses in the industrial production, the military installation, the medical instrument and the daily life an

5、d so on each aspect, becomes the electronic installation and the electromechanical device reliable movement foundation equipment, in order to lengthen the service life of current collector, reduces the economic loss of factory . should guarantee its power line voltage the stability. especially in th

6、e industrial field environment,the electrical network quality is especially bad, the electrical network waveform distortion is serious. therefore,it is very necessary to develop a highly efficient and reliable ac voltage-stabilized source as the second power supply of load.this topic is use singlech

7、ip microcomputer (at89s52) to control switch component the make-and-break, and according to the size of the compensation voltage access or the removal of a transformer compensation for quick timely adjust, guaranteed a supply voltage stability. the main design is divided into the following six major

8、 modules : compensation module, regulatory module, singlechip microcomputer control module, voltage detection module, a/d conversion module, protection module and alarm module.key words ：compensated mode ，ac voltage stabilize ，singlechip microcomputer，the a/d conversion 目 录1 绪论.11.1 课题背景.11.2 交流稳压电源

9、的发展现状.12 系统的基本原理和主电路结构.32.1 系统的总体结构和基本原理.32.1.1 系统总体设计和原理框图.32.1.2 系统工作原理.42.2 主电路研究.42.2.1 主电路结构.42.2.2 主电路工作过程.53 控制系统软件方案的设计 .63.1 控制系统的工作原理.63.2 相关元器件介绍.63.2.1 atmel公司at89s52型单片机性能及功能简介.63.2.1.1 主要性能：.63.2.1.2 功能特性描述.73.2.1.3 引脚说明.7 3.2.2 adc0809型a/d转换器. 10 3.2.2.1 adc0809的内部逻辑结构.10 3.2.2.2 时序图.

10、12 3.2.2.3 adc0809应用说明.123.3 设计任务.133.4 a/d 模块程序设计.133.5 采样程序设计.14 3.6 数据处理.17 3.7控制指令输出.173.8 连锁设计.18 4 软件仿真与调试.21 结束语.23 致谢.23参考文献.24附录1 硬件电路原理图.25 1 绪 论1.1 课题背景随着电子技术的发展，特别是电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，而交流稳压电源的出现解决了这一问题。 车站信号电源屏从功能上分为调压、转换(包括2路电源转换和输出转换)、输出(包括交流输出和直流输出)几部分,其中稳压部分是电源屏质量的

11、关键。目前铁路车站现场应用的电源屏稳压部分其最主要的缺点是响应速度慢,在两路电网转换过程中容易产生过压或欠压;有机械磨损,易损坏;输出失真大。随着技术进步,继电式设备正逐步被电子设备所取代,设备对电源质量要求越来越高。补偿式稳压电路具有效率高、可靠性高、抗干扰能力强。补偿变压器功率较小,从而明显降低材料成本及功率损耗,达到提高效率,减小重量体积的目的。微机控制使控制电路大大简化,还可加入辅助功能,如故障诊断、稳压指示、超限声光报警、延时启动、故障检测、缺相保护等各种功能。因此补偿式稳压器正逐步进入电源屏应用领域。1.2 交流稳压电源的发展现状我国 20 世纪50年代流行的是磁放大器调整型电子交

12、流稳压器，随着技术水平和用电设备对稳压电源性能指标要求的提高，在此基础上出现了净化型稳压电源;净化型交流稳压器抗干扰性能好、稳压精度较高、响应时间短、电路简单、工作可靠;但其带非线性负载时，有时有低频振荡现象、输入电压调节、范围较窄、而且源电流的谐波分量较多。到了70年代，主要存在的是用继电器触点改变变压器抽头和以炭刷移动接触点为主要控制方式的机械调整型交流稳压电源;调压型交流稳压器制作简单、工作可靠、功率较大、负载适应性好等优点;但这种类型的交流稳压器存在机械磨损、响应时间长、工作寿命短、抗干扰能力差等缺点。到了90年代，随着电力电子技术的发展，又出现了功率补偿式稳压电源和开关型交流稳压器。

13、功率补偿型三相电力稳压器电压调节范围宽、效率高、波形失真小;但其采用电动机调节炭刷触头方式，调节速度慢，并且存在机械磨损，使用寿命短。而开关型交流稳压器响应速度快、体积小、重量轻、波形失真小、效率较高;但其电路复杂。当前铁路信号电源屏中两种主流稳压器-交流参数稳压器和数字补偿式交流稳压。交流参数稳压器：交流参数稳压器基于非线性无源四端网络原理，特殊的松耦合分散式磁路设计，使其在输入电压波动或输出电流变化时，由磁性材料的bh特性的非线性变化来及时调节大功率无功功率振荡器的参数，完成稳定的输出电压，抑制干扰。交流参数稳压器利用了保守系统的能量不可跃变的原理，能有效抑制电源电压的的尖峰和凹坑，使其不

14、能传输到负载上，同时也能抑制负载的跃变电流，使其不能渗透到电源电路中，具有隔离和双向抗干扰功能。但交流参数稳压器也存在温升较高、体积大、重量重、噪声大、电容器易漏液等缺点，能够在自然冷却条件下满足温升不大于60，体积又能满足信号电源屏安装要求，其容量一般不超过7.5kva。数字补偿式交流稳压器：数字补偿式交流稳压器由多台补偿变压器串联构成，双向可控硅作为交流开关元件，采用数字电路控制技术控制开关器件的通断，并按补偿电压的大小接入或切除某个补偿变压器，进行快速无触点适时调节。开关器件网络安排在补偿变压器的输出侧，可以提高硅网络的抗干扰能力，这时3个独立的补偿变压器都有滤波作用，可以吸收电网侧的瞬

15、态干扰。由于开关器件不在负载电流的主通路中，从而开关器件易于选择，保证可靠工作。数字控制电路还可实时检测开关状态，故障时及时报警，并接通旁路开关k1、k2、k3，保证不间断供电。另外，该电路还具有效率高、响应快、不产生附加失真等特点。补偿变压器功率较小，从而明显降低材料成本及功率损耗，达到提高效率，减轻重量体积的目的。数字补偿式交流稳压器的最大问题是，在启动或运行过程中，可能出现同一桥臂上2只开关器件共同导通的现象。为此在数字控制电路上采用电压过零转换、限流和缓启动等措施，完全克服了由于开关元件共同导通时产生电流冲击造成的器件损害，从而保证了整个电路正常工作。2 系统的基本原理和主电路结构2.

16、1 系统的总体结构和基本原理2.1.1 系统总体设计和原理框图本课题根据在铁路信号电源屏中用电设备对稳压电源的要求，从稳压精度、调节方式、抗干扰能力、可靠性等多方面考虑。本电源主电路采用继电器补偿式电路结构。由单片机at89s52控制电磁继电器调节控制变压器与补偿变压器绕组组合实现输出电压的稳定。总体方案原理框图如图2-1所示:主控补偿单元半波精密整流电路单片机控制系统故障指示延时供电（保护单元）继电器可控调节单元ui电源输入uo电源输出驱动单元a/d基准电源dc12v电源gnddc5v图2-1 稳压单元的总体方案原理框图 图 2-2 补偿原理波形图电源的补偿原理如图2-2所示。当电网电压负波

17、动时，通过检测计算，正向投入某个(某几个)补偿变压器，补偿适当的电压，将提升输出电压并使之趋于稳定，使之工作在稳定的电压精度内。同理，当电网电压正波动超出稳压值时，反相投入补偿变压器。2.1.2 系统工作原理系统主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括变压器主控补偿单元、开关器件可控调节单元等。控制电路以单片机at89s52为控制核心，主要包括输入电压半波整流电路，继电器驱动电路、a/d转换电路、故障检测电路、保护电路等。当输入电压ui波动或负载电流变化时，通过采样变压器获取前馈电压（由变压器将电网交流量转化成相应的0v-5v的交流信号），经整流电路进行半波整流后再经a/d转换模块后输入单

18、片机与基准值进行比较，由单片机软件进行判断处理，输出控制指令，切换对应的补偿变压器的组合绕组，改变补偿电压u值，从而快速地达到稳定输出电压的目的。2.2 主电路研究2.2.1 主电路结构根据铁路信号电源屏中用电设备对稳压电源的要求，本电源的每个主回路串联三个补偿变器。采用补偿方式，利用继电器作为开关器件切换补偿变压器的接入形式。其中一相的主电路原理如图2-3所示： 图2-3主电路原理图图中b1、b2、b3是3个独立的补偿变压器,根据稳压精度及输入电压范围的要求,可以选择补偿变压器的台数,其中次级绕组上的补偿电压ur可以设计为6v、12v、24v等,当顺极性(或反极性)叠加全部投入时,可以获得最

19、大正、负补偿电压42v，电源屏输入电压范围为(176-253)v,当ur最小值为6v时,稳压精度可满足正负3%的要求。s1-s8是继电器开关器件,s7和s8为公共桥臂,分别与s1和s2、s3和s4、s5和s6组成3个全桥电路。2.2.2 主电路工作过程该稳压电路的工作过程如下：当输入电压ui高于额定值uin时，要求补偿变压器b1、b2、b3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ui升高的那部分电压。例如：经单片机程序判断仅需b1投入时(设ui极性为a正n负)，可触发s1和s8导通,电流通路为：ab1(上绕组)一s1一b1(下绕组)一s8一n。当a、n反极性时，沿上述通路反向流动

20、。当输入电压ui低于额定值uin时,需要b1产生顺极性电动势补足ui所缺的那部分电压，可使s2和s7导通。如果ui升高(或降低)较多，需要b1和b2同时投入在ui高于额定值uin时，可使s1、s3和s8导通；在ui低于额定值uin时，可使s2，s4和s7导通。如果需要b1、b2、b3都投入，在ui高于额定值uin时，使s1、s3、s5和s8导通。在ui低于额定值uin时，使s2、s4、s6 和s7导通。3 控制系统软件方案的设计3.1 控制系统的工作原理由硬件电路图附录1知控制系统的工作原理为： 交流稳压过程是通过对电网输入电压取样，经半波整流电路进行整流后输入到a/d转换器，经a/d转换，将

21、转换数据输入到单片机p0口，经单片机与基准值比较后由软件进行判断处理，经单片机p1口输出相应地调整信号，经继电器驱动电路驱动相应的继电器导通以调整补偿输出电压u，输出电压uo=ui+u。当电网交流电压超过规定范围时，通过调整补偿电压u控制稳定输出电压。稳压电源运行时，如果补偿输出电压u保持在所规定的输入电压ui与额定输入电压uin=220v的电压差ui范围内，继电器将保持原工作状态，输出电压不变。当电网输入电压在175v u 265v)和欠压(ux?x=y延时15 ms调用读数据子程序，采样值y，yx?ynnyyn延时17 msy求取平均值nan=x,n+,n50?开始1图3-8 采样部分流程

22、图3.6 数据处理既然本课题是对进网电压进行检测并判断是否对此进行补偿，如果补偿又要补偿多少。显然，能够解决这一问题的方法是通过程序对采样值进行计算，判断，并给出控制结果。adc0809对被测量采样并转换成数字量再输入给单片机，所以单片机接收到的自然是数字量，且单片机能够执行并处理的也只能是数字量。首先，我们先对采样出数字形式平均峰值vd换算成相应的被测电压的峰值vf，adc0809参考电压为+5v，所对应的数字值为255，比例系数为k。比例系数k指的是被测电压即进网电压与整流电路后输出电压之比，而不是变压器的一次测电压与二次测电压之比，因为整流电路中增益不为1，整流后的电压不等于变压器二次测

23、电压，所以k不能取变压器的一次测电压与二次测电压之比。通过实际测量我们取比例系数k=97。因此得出：vf=vd（5/255）973.7 控制指令根据式ui=ui-uin（既ui=ui-220），我们可以通过ui的大小来确定补偿电压的大小及对过欠电压予报警显示。在系统运行时，实际上根据输出稳压精度的要求，控制系统通过ui的范围将ui分为17个档次，按逻辑表输出相应的驱动控制指令字，不仅控制继电器驱动路使相应的继电器导通以调整补偿输出电压，达到稳定输出电压的目的，且对过欠电压予报警显示。其控制指令逻辑表如下表3-4所示。表3-4 继电器控制指令逻辑表 控制指令值uip1.7s1p1.6s2p1.5

24、s3p1.4s4p1.3s5p1.2s6p1.1s7p1.0s8备注ui 45v01010110-3v=ui=3v11111111p3.4=1正常运行3vui=9v011111109vui=15v1101111015vui=21v0101111021vui=27v1111011027vui=33v0111011033vui=39v1101011039vui=45v01010110-9v=ui-3v10111101-15v=ui-9v11101101-21v=ui-15v10101101-27v=ui-21v11111001-33v=ui-27v10111001-39v=ui-33v111010

25、01-45v=ui-39v101010013.8 连锁设计：软件设计同一臂上两个继电器之间的连锁（即同一桥臂上两个继电器同时导通的解决方案）：由jqc3f型继电器的相关资料得知，其吸合时间在10ms以内，而释放时间在5ms以内。若向同一桥臂上的两个继电器同时分别发送导通及断开信号，其很有可能在要断开的继电器在还没完全断开的时候，要导通的继电器已经合上，此时将会导致两个继电器都处于导通状态，造成元件的烧毁，这种现象是绝不允许发生的。由表3-3 继电器控制指令逻辑表得知，当ui-3v时 ，通过继电器s2、s4及s6中1个，2个或者是3个同时导通来实现正补偿电压的大小，但无论是哪几个导通公共桥臂s7

26、处于导通状态；当3vui时，通过继电器s1、s3及s5中1个，2个或者是3个同时导通来实现负补偿电压的大小，但无论是哪几个导通公共桥臂s8处于导通状态。对此，我的设计方案是：继电器s7、s8所对应的是p1.1及p1.0，进行正电压补偿时控制指令为p1=1x1x1x01，进行负电压补偿时控制指令为p1=x1x1x110（x=0，1）。因此，继电器s1、s2、s3、s4、s5、s6当中无论哪一臂上的两个继电器同时导通，则公共桥臂上的两个继电器s7、s8都处于导通状态。以上可观察正电压补偿时p1.1p1.0=01，负电压补偿时p1.1p1.0=10，不补偿时p1.1p1.0=11，因此我们在程序上可

27、以先假设，正电压补偿为1，负电压补偿为2，不补偿为0。通过当前执行指令值与下次要执行指令值的和来判断它们当中是否是正电压补偿与负电压补偿之间的切换，如果由当前处于正补偿电压1（或是负补偿电压2），而在处理下个采样时判断出下次操作要切换成负补偿电压2（或是正补偿电压1）时，其和就一定是3，不为3则有以下情况：（1） 正电压补偿与不进行补偿之间的切换；（2） 负电压补偿与不进行补偿之间的切换；（3） 仍要继续执行正电压补偿；（4） 仍要继续执行负电压补偿；这些不等于3的情况中其两者之间的切换都不会使同一臂上的两个继电器同时导通，因此程序中对这些情况可以直接处理，即可以直接切换。而和等于3时，说明要

28、执行的是正电压补偿与负电压补偿之间的切换，此时就会可能发生同一臂上的两个继电器同时导通，这种情况下就不能直接切换了，必须先对它们在程序上建立连锁（对于程序上的连锁实际就是正电压补偿与负电压补偿之间的连锁），以避免同一桥臂上要断开的继电器在还没完全断开的时候，要导通的继电器已经合上，导致两个继电器都处于导通状态。当和为3时，先给p1口发送0x0ff，即先对当前正处于通电的继电器发送断开信号，再延时17ms（资料中继电器的释放时间为5ms，但实践证明其释放时间已经超过这个值，所以在设计中我们取17ms）,确保要断开的继电器已经完全断开后，再向p1口发送将要执行的指令值。把数据的处理，控制指令值及补

29、偿状态编入一个综合子程序中，其流程如图3-9所示：开始求出电压有效值ui求压差ui=ui-220确定正负补偿c，控制指令值b，及过欠压处理返回图3-9 综合流程图其连锁流程如图3-10： p1=0x0ff后延时17ms对当前补偿状态值d与要执行补偿状态值c求和，和x=3？yn向p1口发送执行指令值调用综合子程序，读出补偿状态值c及控制指令b1保存当前补偿状态值d=c图3-10 连锁流程4 软件仿真及调试使用c 语言肯定要使用到c 编译器，以便把写好的c 程序编译为机器码，这样单片机才能执行编写好的程序。keil uvision2 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的m

30、cs51 架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，plm，汇编和c 语言的程序设计，它的界面和常用的微软vc+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。为了确定程序无误及其运行结果满足我们所要实现的功能。我们使用keil uvision2对我们所编的程序进行仿真，调试进行验证。启动keil uvision2后创建第一个项目，将所编的c 程序文件加到了项目中后，点击编译运行。左下方出现如图4-1，说明已经编译完成，且零错误，零报警。 图4-1 编译结果编译完成，确定程序语法上无误后，点击进行调试，点击运行。刚开始时如果将采样值设定为小于100的值，此时程序执行的情况是：采样然后与100比较，比较后又采样，又比较，如此循环。当采样值改为大于100的值110，重新编译，再进行调试后，运行时发现程序将改后大于100的值110与100比较后直接进入下一段程序，再次启动a/d，将采到的值与110比较，如果