基于自动电压调节器与交流斩波器串联的新型电压补偿器

1、基于自动电压调节器与交流斩波器串联的新型电压补偿器摘要：本研究提出了一种基于交流斩波器串联电压补偿的自动电压调节器（AVR）。所提出的AVR是由一个脉冲宽度调制（PWM）交流斩波器和一系列电压补偿变压器组成。在交流斩波器，换流问题是通过切换模式解决的。交流斩波器提供了直接的交流交流电源没有能量存储元件的转换，所以AVR的尺寸和成本降低。交流斩波器补偿只有所需的电压，所以开关减少额定值和应力。使用旁路开关，所提出的AVR可以不仅补偿电压凹陷也为输入电压的电压浪涌。实验结果表明所提出的快速补偿输入电压的电压骤降和上升。1、简介自动电压调节器（AVR），也被称为线调节器，是一种装置，自动调节输出电压

2、。电源线的干扰，可导致严重的敏感的设备如电脑问题，通信设备和过程控制系统 1 。在敏感的设备的使用的增加，电压的骤降与上升被确定为今天的工业客户面临的重要的电力质量问题。为了提高敏感设备的可靠性，已经提出了许多解决电能质量问题的方法，尤其针对电压降落与突增。一个动态的电压调节器（DVR）与一个直流环节电容器，在保护敏感负载的电压降落与突增上已有研究报道 25 。然而，在电源转换器的阶段DVR提供间接的交流交流电源转换，这可能意味着更多的功率半导体器件在设备计数上的弊端，相比直接交流AC电源转换，有更多的损耗，更低的效率。此外，直流链路电容器作为储能元件由于其规模和维护也是问题所在 3 。为克服

3、这些缺点，基于脉冲宽度调制（PWM）流斩波器的AVR，也被称为矩阵转换器，可以被认为能实现直接交流交流电源转换。基于串联电压补偿的AVR，配置交流斩波器，其模型框图如图1所示。交流斩波器是一个基于输出电压互感器的配置补偿的降压转换器。输入电压被切成段，输出的电压是通过占空比决定。然而，大部分的交流斩波器的需要双向开关，其控制电路的复杂性也是换流问题所在。换流问题导致高压尖峰和额定功率的限制。当电流的路径改变时，换流开关和一个备用的电流路径必须提供，这是至关重要的。这种交替的电流路径的使用附加双向开关或缓冲器 610 。然而，这些拓扑结构是很难实现的。此外，开关管的电压应力也高，所以AVR可靠性

4、下降。因此，交流斩波器无换向问题 11，13 ，这种交流斩波器AVR已经 14-15 中提出。然而，这些AVR只能补偿电压降落，不能解决电压骤升。因此，无串联变压器补偿的AVR能够已在16 19 提出。这些AVR可以弥补电压骤降和膨胀。然而，这些AVR有100%的电源系统解决能力。因此，这些AVR与一系列的为变压器补偿的AVR相比，有高电压和开关电流应力。20提出了多转换器拓扑结构。这些拓扑结构是由一个直接的交流交流转换器和一个串联电压补偿变压器组成。然而，这些拓扑结构有许多开关设备和复杂的电子电路。本文中，提出了一个含有交流斩波器的基于系列电压补偿的AVR。这个AVR由交流斩波器和变压器组成

5、，为串联电压补偿。交流斩波器只能补偿电压，所以开关降低了额定值和应力。用旁路开关，所提出的AVR不仅可以补偿的电压降落，也能补偿输入电压的电压浪涌。实验结果验证了所提出AVR能够快速补偿输入电压降落与突增。图1 基于串联电压补偿的AVR模型框图2、AVR工作原理2.1AVR的描述所提出的AVR电路如图2所示。补偿电压是由一个用于补偿的单一相降压交流斩波器产生。、是AVR的开关。T是一个变压器用来补偿输入电压，并稳定输出电压。和原边绕组匝数=，其中，是副边绕组匝数。原边绕组有一个中心抽头变压器。滤波电容电压由通过变压器T。是斩波器调制电压、是电感电压。AVR系统采用PWM控制器产生并调节PWM信

6、号，控制交流斩波器的输出。所提出的AVR电路原理图如图3所示。这个交流斩波器包含四个开关、一个电感和多个电容。输出电压可以由斩波脉冲的占空比控制。低通滤波器是用来过滤交流斩器的输出的谐波成分。L是滤波器的电感，C是滤波电容和RL是交流斩波器的等效电阻。由于电感的能量存储，直流缓冲器CB直接添加到功率半导体开关并吸收能量。交流斩波器提供了没有能量存储元件直接的交流交流转换，如平滑电感或一个平滑电容器。因此，AVR的尺寸和成本减少。交流斩波器只有从所需的电压偏差进行补偿，所以开关降低额定值和应力与AVR相比处理系统的发电能力的100%。图2 AVR电路图图3 AVR 中PWM斩波器电路图在图2中，

7、和作为旁路开关，它们是可控硅或背靠背连接的晶闸管，以及他们允许双向流动。如果短路出现在AVR，一个大电流产在初级补偿变压器，从而影响AVR操作。这样大的电流流过的斩波器和可摧毁电容，由于其初级绕组补偿变压器不能在一个开放的操作电路运作。结果，AVR会遭受严重的损害。因此，旁路开关必须提供。当短路时，由旁路电路开关变压器带来次级电流。因此，短路电流通过旁路开关循环。 使用旁路开关，所提出的AVR补偿输入电压的降落于上升。当凹陷检测，AVR在电压骤降条件下操作。在电压凹陷的条件下，打开、关闭。在这时间，补偿电压为输入电压。然后，压控振荡器添加到输入电压，所以AVR可以补偿电压凹陷。膨胀时检测，AV

8、R在电压浪涌条件下操作。电压浪涌条件下，关闭、打开。在这个时候，补偿电压变成反相的输入电压。然后，减去输入电压，因此，AVR可以补偿电压浪涌。2.2所提出的AVR的操作模式 输出电压是通过改变驱动信号的占空比控制。在AVR中开关模式决定了输入电压极性。开关的驱动信号如图4所示。为安全换流死区，为仿真开关周期，D是的和占空比。驱动器信号的开关模式如表1所示。在输入电压的正半周期，和开关打开，和由PWM驱动。在输入电压的负半周期期间，和开关打开，和开关 和由PWM驱动。短路时，如果所有的开关关闭，电压尖峰的损伤在AVR开关。因此，一个开关周期有死区时间，避免开关的尖峰电流。在同时，建立了一个开关周

9、期的电感电流路径避免换流电压尖峰。设置两个开关且两个开关在输入电压半周期由PWM驱动。因此，与AVR，四开关PWM驱动降低开关损耗。所提出的AVR工作的波形如图5所示，包括输入电压，驱动信号的开关，斩波调制电压，补偿电压输出电压的波形。电压骤降条件下，与输入电压的相位一致，如图5所示。电压浪涌条件下，改变输入电压的相位，如图5b所示。一个周期内，AVR有四种操作模式，如图4所示。在每个操作模式下等效电路显示的电压凹陷如图6所示。在图6中，线条表示可能的电流，是负载阻抗。此条件下开，关闭。图4 开关的驱动信号图5 AVR运行波形 图6 电压降落时的运行波形模式1 ， ：这种模式指的是开关、打开，

10、如图4所示。当时，电感电流通过和二极管，如图6a所示。当时，电感电流通过和二极管，如图6B所示。所以，通过输入和输出侧，提供能量输出。电感电压如下： （1） 因此，这种模式高于，通过增加电感电流和电感中的能量储存。模式2 ， ：这种模式被定义为的死区时间开关和安全换流是非常重要的，如图4。当，这种模式被定义为死区时间开关、如图4a所示，开关和打开，安全换流。当时，通过旁路和二极管输出，如图6c所示。当时，绕过通过输出端使用和二极管，如图6d所示。当，这种模式被定义为死区时间开关、，如图4b所示。开关和打开，安全换流。当时，通过旁路和二极管输出，如图6e所示。当时，绕过通过输出端使用和二极管，如

11、图6f所示。因此，在这一模式下，对于一个电流路径电感电流总是存在于每一个电流方向。模式3 ， ：这种模式指的是开关、打开，如图4所示。这种模式与模式1互补。当，电感电流通过旁路和二极管，如图6g所示。当时，电感电流通过旁路和二极管如图6h所示。所以，通过和。在这种模式下，电感电压可以写成如下 （2）因此，通过电感的电流下降，在电感L储存的能量释放。模式4 ， ：种模式的一个解释省略，、因为模式4的动作与操作模式2相似。在这些开关模式，短路不是在死区时间所产生的。此外，无论当前方向当前路径电感电流总是存在。因此，这些开关模式就解决了换向的问题。电压浪涌条件下，动作过程与电压骤降条件相似，除了旁路

12、开关打开，关闭。因此，这种情况的解释是省略。3. 原理分析 3.1 稳态分析 图7 等效电路 为分析，图7显示的一个电路，相当于提出的AVR。死区时间是被忽视。滤波电感L和电容C的设计是为了符合下列条件：当是角线频率和N是变压器匝数比。这种情况下，下列条件也满足：这种情况一般是在实际滤波器满足设计，平均斩波调制电压;因此，在一个开关周期电压平均方程：在电压骤降条件下，公式（6）和(7)变换成将公式（9）代入公式（8），得从公式（10）得到传递函数为因此，总电压增益为运用（3），电压增益为：运用（4），在电压骤降条件下，理想电压增益为：，类似的，在电压浪涌条件下，电压增益为：然后，电压增益为：3

13、.2匝数比的设计方程 变压器的匝数比取决于最大的的输入电压变化范围。所需的匝数比基于补偿电压的百分比。补偿电压的百分比定义为：当和为所允许的最小输入电压和额定线电压。设计匝数比的方程表示为：3.3电感电流和电容的波动电压电感电流的波动为是开关频率。因此，电感器可由开关频率的纹波电流和占空比确定。电容电压的波动可以推导为：因此，电容器可通过开关频率，电压波动和电流波动确定。4、 实验结果为了验证所提出的图2中的AVR性能，用一个硬件电路实现。提出了AVR是设计为3 KVA，和实验进行了使用60赫兹下3KV和220 V标准输入/输出电压。开关频率被确定为15KHZ和死区时间为2毫秒，负载为纯电阻负

14、载。用于实验的AVR的其他参数结果如下： 实验波形，输入电压和输入电流为图8a所示。输入电压接近正弦波。输出电压输出和电流如图8b所述，输出电压和电流接近正弦波，输出电压为220 V的斩波调节调制电压电感电流图8C所示。图8 实验电压波形、驱动开关驱动信号和开关信号如图9所示。输入电压、开关驱动信号和开关信号如图9b所示。注意，输入电压的正半周期期间，开关和、开关和按恒定的占空比运作。在另一方面，输入电压信号的负半周期期间，开关和、开关和按恒定的占空比运作。当输入电压有25%个凹陷，输入电压输出电压波形如图10A所示的输出电压为220 V范围内提出的AVR在一半周期内运作。当输入电压25%膨胀，输入电压和输出电压波形如图10b所示，输出电压成为理想的220 V的半周期内的。因此，本文提出了快速补偿电压暂降和输入电压的膨胀。图9 图104、 结论本文提出的基于交流斩波器的串联电压补偿调节器。所提出的AVR包括PWM交流斩波器和变压器串联电压补偿。交流斩波器提供了直接的交流交流电源转换。由于这一特点