交流稳压电源的设计毕业设计

1、景德镇陶瓷学院本科生毕业设计论文中文题目： 交流稳压电源设计 英文题目： Design of AC Voltage Stabilizer 院 系： 景德镇陶瓷学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 金凯明 学 号： 202110350117 指导教师： 金光浪 完成时间： 2021-06-07 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拟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开展，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

2、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、反响时间长、稳压精度低等问题。针对目前交流稳压电源的缺乏。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组变压器叠加的主回路补偿工作方式并和可控硅无级调节补偿绕组串联的一种最新颖的交流稳压电源，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：电子开关；主回路补偿；可控硅无级调节 ABS

3、TRACTAC power supply for the load to provide stable AC power electronic devices. Also known as AC voltage regulator. Variety of electronic devices require a relatively stable AC power supply, especially when computer technology is applied to various fields, directly by the AC mains power supply with

4、out taking any measures can not meet the need. With the development of power electronics technology, many devices require a stable AC power, AC power system is the lack of electricity, the grid is not the reasonable. All this can lead to electrical equipment is not working properly, the decline in a

5、ccuracy, or even caused by accidental damage. AC power supply quality improvement has become to ensure that the premise of the system work properly. The low efficiency of conventional AC power supply exists, contact wear, long reaction time, low voltage accuracy problems. For the current lack of AC

6、power supply. In this paper, the design of the AC power supply has to design an electronic switch for the implementing agencies to control the transformer superimposed main loop compensation work and SCR stepless adjustment of the compensation winding in series with one of the most innovative AC vol

7、tage stabilizer power supply regulator high precision, high efficiency, fast response, with a load capacity, the power supply waveform distortion, no mechanical gear and brush wear, maintenance-free, reliable operation, low noise, strong anti-jamming capability, and has delay, overvoltage, undervolt

8、age protection function. Keywords: electronic switch; the main loop compensation; SCR stepless adjustment;目录引言11 电源技术概述2现代电源技术的应用领域2电源的开展趋势5交流电源分类72 稳压电源总体设计方案92.1 设计概述92.2 研究内容92.3 技术指标92.4 交流稳压电源的总体方案设计92.4.1 单相交流稳压电源的根本原理10 交流调整电路102.4.3 双向可控制硅的选用112.4.4 双向可控硅导通模式与对应的补偿电压132.4.5 双向可控硅短路报警143 稳压电源

9、硬件系统设计163.1 硬件系统的整体框架163.1.1 主回路163.1.2 控制电路163.2 双向可控硅触发电路173.2.1 MOC3061173.2.2 触发电路173.3 保护电路193.3.1 保护电路原理193.4 辅助直流稳压电源设计213.4.1 +5V直流稳压电源213.4.2 +12直流稳压电源214 单片机系统设计224.1 主程流程图224.2 采样子程序流程图234.3 数字滤波程序流程图244.4 电压采样电路254.4.1 ADC0809的特性254.4.2 ADC0809的内部结构及引脚功能264.4.3 采样电路294.5 系统控制电路295 结论336

10、经济分析报告35致谢36参考文献37附录A 总电路图39引言随着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)几局部,其中稳压局部是电源屏质量的关键。目前铁路车站现场应用的电源屏稳压局部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。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

11、降低材料本钱及功率损耗,到达提高效率,减小重量体积的目的。微机控制使控制电路大大简化,还可参加辅助功能,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。通信业的迅速开展极大的推动了通信电源的开展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一

12、般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低本钱。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而到达近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力

13、操作电源等)的核心。1 电源技术概述高速开展的计算机技术带着人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速开展。上世纪80年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。计算机技术的开展,提出了绿色电源。绿色电源系指高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星方案规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量假设小于30瓦,就符合绿色电源的要求。提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50W的能源。通信用高频开关电源就是通过电路控制开关管进行高速的道通与截止

14、将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。1.1.2直流-直流(DC/DC)变换器DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ton(通用)，二是频率调制。这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能20%30%。直流斩波器不仅能起调压的

15、作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。通信电源的二次电源DCDC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W20Win3。随着大规模集成电路的开展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。1.1.3不间断电源(UPS)UPSUninterruptible Power System ，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成局部的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其

16、它电力电子设备提供不间断的电力供给。当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供给给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断事故停电时， UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供给220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流电输入经整流器变成直流，一局部能量给蓄电池组充电，另一局部高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的开展方向。由于

17、IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。变频电源是将市电中的交流电经过ACDCAC变换, 输出为纯洁的正弦波，输出频率和电压 一定范围内可调。它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳

18、定、内阻等于零、电压波形为纯粹弦波无失真。变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进兴旺国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。 变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换局部将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合， 整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题

19、成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，到达预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压6075V，电流调节范围5300A，重量29kg。电力有源滤波器APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点传统的只能固定补偿，实现了

20、动态跟踪补偿，而且可以只补谐波不补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF开展的主要根底理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；该装置的主要缺点是复杂、本钱高，限制了它的使用。电力有源滤波器的研究与应用，国内有源电力滤波器在技术研究虽然与国内有一定的差距，但近几年在技术已取得突破性的进展。国内已有多家公司提出了APF产品，并在工业领域取得了成功的应用，如西安萨博、英纳仕电气等。但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。高压直流电源有着广泛的应用领域，电力系统中广泛的用于高压电气设备的直流耐压和泄露试验，如电力系统避雷器，电力

21、电缆，变压器绕组及发电机的现场试验；工业中用于环保的静电除尘，污水处理，激光器等；医学方面用于X光机，CT等大型设备；科研上用于高能物理，等离子物理；军事上雷达发射器，脉冲点火技术等。小型、薄型、轻量化使电源小型化的具体方法有：一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压- 振动变换和“振动- 电压变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。三是采用新型电容器。为了减小电子设备体

22、积和重量，提高能量密度，研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器。四是同时采用SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，对于电力电子装置，元器件数量越多，发生故障的机率越大，装置的可靠性越低。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面做工作。美国一公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF 高达100 万h 以上。为了使开关电源轻、小、薄，高频化开关频率达兆赫级是必然开展趋势。而高频化又必然使传统

23、的PWM 开关功耗加大、效率降低、噪声提高，且达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品的开展方向。采用软开关技术可使效率到达85%88%。据悉，美国VICOR 开关电源公司设计制造了多种ECZ 软开关DC/DC 变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为101.60 W/cm3、160.38 W/cm3 和278.58 W/cm3，效率为80%90%；日本Nemic-Lambda 公司推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM 系列，开关频率为200300 kHz，功率密度为3，用同步整流器即用MOS-FER 代替

24、肖特基二极管使整个电路效率提高到90%。在电源集成技术的开展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件包括磁集成技术等开展阶段。近年来的开展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此根底上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。上世纪90 年代，随着大规模分布电源系统的开展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，产品设计中提高了集成度，出现了集成电力电子模块IPEM。IPEM 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装的模块，既可用于标准设计

25、，也可用于专用、特殊设计。目前，可快速高效为用户提供产品，显著降低本钱，提高可靠性。无论是AC/DC 或是DC/DC 变换器都是朝着模块化方向开展，特点是：可用模块电源组成分布或电源系统；可以设计成N+1 冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式结构，实现热更换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并用可实现大功率电源系统。此外，还可在电源系统建成后，根据需要扩充容量。电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系

26、列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了根底。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速开展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和

27、新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。总而言之,开关电源技术因应用需求不断向前开展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快开展起来。还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。铁磁谐振式交流稳压器：利用饱和扼流圈和相应的电容器组

28、合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构简单,制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠,过载能力较强。但波形失真较大，稳定度不高。近年开展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压作用的电源装置。它和磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同，而根本工作原理那么相同。它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重作用，所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。 磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。这类稳压器带有反响控制的闭环系统，所以稳定度

29、高，输出波形好。但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。 滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。但稳定度较低，恢复时间较长。 感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交流电压获得稳定的装置。它在结构上类似线绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。另因铜、铁用料多，故较少生产。 晶闸管交流稳压器：用

30、晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。它具有稳定度高、反响快、无噪声等优点。但因对市电波形有损害，对通信设备和电子设备造成干扰。 随着电源技术的开展,80年代又出现了以下3种新型交流稳压电源：补偿式交流稳压器：又称局部调整式稳压器。利用补偿变压器的附加电压串接在电源和负载之间,随着输入电压的上下,用断续式的交流开关接触器或晶闸管或用连续式的伺服电动机来改变附加电压的大小或极性，把输入电压高出局部(或缺乏局部)减去(或加上)，从而到达稳压目的。补偿变压器容量仅为输出功率的1/7左右,具有结构简单、造价低廉的优点，但稳定度不高。数控式交流稳压器和步进式稳压器：由逻辑元件或微处理机构成控制电路，按输入电

31、压上下转换变压器初级匝数，使输出电压获得稳定。净化式交流稳压器：由于具有良好的隔离作用，能消除来自电网的尖峰干扰而得到应用。2 稳压电源总体设计方案2.1 设计概述目前对直流小功率恒流方法的研究较多,而对交流恒流方法的研究较少。交流稳流主要采用如下方法:(1)用具有反响系统的可控硅调相电路来实现稳流,但因为是调整截止角,将使正弦波严重畸变。(2)采用反响系统控制伺服电机,调节自耦调压器组成的电路来实现稳流,但由于电机和传动系统的机械惯性调整速度较慢且易产生振荡,难于实现稳定的调节。(3)以铁磁元件为调整元件(磁放大器)的稳流线路,它的缺乏之处是:因为磁惯性大响应时间较长;磁系统会产生严重的波形

32、畸变;系统的功率因数低2.2 研究内容 课题应能设计出一种以电子开关为执行机构来控制多组变压器叠加的主回路补偿工作方式并和可控硅无级调节补偿绕组串联的一种最新颖的交流稳压电源，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。2.3 技术指标输入稳压范围：单相187V253V频率50Hz±2Hz输出电压220V±1%源电压效应 ±1%负载效应±1%波形失真 5%附加输出功率 5kw效率 90%满载欠过压保护 Vo186V或V

33、o254V2.4 交流稳压电源的总体方案设计2.4.1 单相交流稳压电源的根本原理图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，用双向可控硅作开关器件组成无触点可控调节单元，控制电路由A/D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Ui波动或负载电流变化时，通过采样变压器获取反响电压，经A/D转换输入单片机与基准值进行比拟，由微机程序软件进行判断处理，输出控制指令。在电压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，从而快速地到达稳定输出电压Uo的目的。当Ui<Uon，时(Uon为额

34、定电压220V )，Ui提供正补偿;当Ui>Uon时，Ui提供负补偿: 当Ui=Uon时,Ui不提供补偿电压。所以，一旦电网输入电压Ui偏离额定电压Uon时，单片机控制单元便调节双向可控硅的开关状态，来控制补偿变压器TRi (i=1,2,3,4)的Ui的补偿方式。2.4.2 交流调整电路补偿变压器的选择 根据稳压精度及输入电压范围的要求来选择补偿变压器的台数，本文选择4台。图2.2给出了交流调整电路中的交流调整电路。图中，TR1 , TR2, TR3，TR4是四个独立的补偿变压器，其初级绕组上输入电压为Uon( 220V )，其次级绕组上的补偿电压可以根据稳压精度的需要，设计为2.2V,

35、 4.4V, 8.8V，17.6。当顺极性(或反极性)叠加全部投入时，可以获得最大正负补偿电压为33V。当Us最小值为2.2V时，稳压精度可优于1%。根据补偿变压器的一次侧电压和二次侧电压，结合整个电源的输出功率，就可确定各个补偿变压器的功率。本文输出功率为5KW，那么所有的补偿变压器输出功率都选为略大于5KW，可以选择6KW。(1)补偿变压器TR1:其一次侧电压为220V，二次侧电压为2.2V;那么其输出功率为:Pb1=(2.2v/220v)*6kW=60W(2)补偿变压器TR2: 其一次侧电压为220V，二次侧电压为4.4V;那么其输出功率为:Pb2=(4.4v/220v)*6kW=120

36、W(3)补偿变压器TR3: 其一次侧电压为220V，二次侧电压为8.8V;那么其输出功率为:Pb3=(8.8v/220v)*6kVA=240VA图2.2 交流调整电路(4)补偿变压器TR4: 其一次侧电压为220V，二次侧电压为17.6V;那么其输出功率为:Pb3=(17.6v/220v)*6kw=480W因此，四台补偿变压器的输出功率依次为:60W,120W,240W，480W。2.4.3 双向可控制硅的选用交流调整电路中，所用开关器件的数目与补偿变压器的数目有关。其规律是: 开关器件的数目=补偿变压器的台数*2+2其中后面的+2，即公用桥臂上的两只开关器样，它与补偿变压器的台数无关。如图2

37、.3所示，只需要10个双向可控硅。S1和S2 ，S3和S4，S5和S6，S7和S8，分别为四台补偿变压器初级绕组端的控制开关，S9和S10那么是作为公共桥臂进行工作。整个交流稳压电源系统，因为接入补偿变压器的不同,流经每组可控硅的最大电流随之不同。具体情况如下:Po=Uo*Io Io=Po/Uo=5KW/220V次级， I1=Io*2.2/220初级，如图：图2.3 初级绕组端的控制电路(1) S1和S2:只接入补偿变压器TR1，其补偿电压为2.2V，那么Imax=(2.2V/220V)*(5kVA/220V)=0.227A(2) S3和S4:只接入补偿变压器TR2，其补偿电压为4.4V，那么

38、Imax=(4.4V/220V)*(5kVA/220V)=A(3) S5和S6:只接入补偿变压器TR3，其补偿电压为8.8V，那么Imax=(8.8V/220V)*(5kVA/220V)=A(4) S7和S8只接入补偿变压器TR4，其补偿电压为17.6V，那么Imax=(17.6V/220V)*(5kVA/220V)=16A(5) S9和S10接入补偿变压器TR1，TR2，TR3，TR4，其补偿电压为33V，那么Imax=(33V/220V)*(5kVA/220V)=A四组可控硅的接入电压都是220V 。 按照器件参数的选择规律,耐压值一般为工作值的4倍左右,电流值一般为工作值的3-4倍，那么

39、，四组可控硅的选用如下:(1) S1和S2,S3和S4 ,S5和S6，S7和S8，S9和S10全部选用耐压1000V、电流16A的器件。(2) RC主要用于吸收尖峰脉冲，在选择时可取RC<T/100=0.2ms，R可以选择参数20，C可以选择10uf。2.4.4 双向可控硅导通模式与对应的补偿电压 每组里的两个双向可控硅，任何时间，都必须有一个处于导通状态。规定值时晶闸管作为开关将补偿变压器初级回路接通，即改变通断状态来调节补偿电压Ub1，以保持输出电压Uo在设定范围内。在晶闸管导通时，流过补偿变压器一次线圈W1的励磁电流Io产生励磁磁势IoW1，并在二次线圈W2产生感应电势作为补偿电压

40、。晶闸管关断时，补偿变压器无励磁磁势，因而补偿电压为零。 当稳压器有负载时，IL不等于0，该负载电流在补偿变压器上产生负载磁势ILW2在晶闸管导通时，补偿变压器一次边电流为I1，一次边磁势为I1W1。由磁势平衡方程，得I1W1+I2W2=IoW1。 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，图中的R1,R2，R3，R4，C1,C2, C3，C4较好地解决了这个问题。R可以选择参数20，C可以选择10uf。 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一个处于导通状态。当需要提供正向补偿电压时，四个补偿变压器有15种组合;见表一图2.4 补偿电路2.4.5 双

41、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F1, F2, F3和F4 以第一组可控硅S1和S2为例，正常工作时，Fl两端电压为零，继电器Jl不吸合，电路不报警。当出现可控硅短路时，F1熔断，真两端电压不为零，J1吸合，电路报警，蜂鸣器开始呼叫。五组可控硅，只要有一组出现短路故障，电路就开始报警。图可控硅短路报警电路图 表一 补偿电压的多种补偿状态 组合 可控硅状态 补偿电压V 1 S1,3,5,7,9断开或S2,4,6,8,10断开 0 2 S1,4,6,8,10导通其余断开 3 S2,3,6,8,10导通其余断开

42、 4 S1,3,6,8,10导通其余断开 5 S2,4,5,8,10导通其余断开 6 S1,4,5,8,10导通其余断开 -11 7 S2,3,5,8,10导通其余断开 8 S1,3,5,8,10导通其余断开 9 S2,4,6,7,10导通其余断开 10 S1,4,6,7,10导通其余断开 11 S2,3,6,7,10导通其余断开 -22 12 S1,3,6,7,10导通其余断开 13 S2,4,5,7,10导通其余断开 14 S1,4,5,7,10导通其余断开 15 S2,3,5,7,10导通其余断开 16 S1,3,5,7,10导通其余断开 -33 17 S1,4,6,8,10断开其余导通

43、 18 S2,3,6,8,10断开其余导通 19 S1,3,6,8,10断开其余导通 20 S2,4,5,8,10断开其余导通 21 S1,4,5,8,10断开其余导通 11 22 S2,3,5,8,10断开其余导通 23 S1,3,5,8,10断开其余导通 24 S2,4,6,7,10断开其余导通 25 S1,4,6,7,10断开其余导通 26 S2,3,6,7,10断开其余导通 22 27 S1,3,6,7,10断开其余导通 28 S2,4,5,7,10断开其余导通 29 S1,4,5,7,10断开其余导通 30 S2,3,5,7,10断开其余导通 31 S1,3,5,7,10断开其余导通

44、 333 稳压电源硬件系统设计3.1 硬件系统的整体框架3.1.1 主回路 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，本文选择四台补偿变压器TR1 ，TR2 ，TR3，TR4。图中，是四个独立的补偿变压器，其次级绕组上的补偿电压Ubi可以设计为2.2V，4.4V，8.8V，17.6V，。当顺极性(或反极性)叠加全部投入时，可以获得最大正负补偿电压为33V。当Us最小值为2.2V时，稳压精度可优于1%。S1-S10为双向可控硅，它与补偿变压器TR1 , TR1 , TR3, TR4组成“多全桥电路形式图中S9和S10为公用桥臂，它分别与S1和S2 , S3和S4 , S5和S

45、6, S7和S8组成三个全桥电路。 主回路3.1.2 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8051单片机系统、外扩检测、驱动等接口电路构成。 输入几电压变化经AC/DC变换电路，转换成0-5V的直流信号，后经模数转换器ADC0809输入8051单片机，由CPU检测稳压电源输入值。双向可控硅由光隔离/光祸合过零触发双向可控硅驱动器MOC3061驱动。 控制电路原理3.2 双向可控硅触发电路3.2.1 MOC3061 电压过零型光电耦合器，是由一只砷化稼红外发光二极管和带有集成化过零检测电路的硅光检测器组成，它们被一种能透射红外线的耐高压介质隔离并共同封闭在一个芯片中。典

46、型的此类器件如美国MOTOROLA公司生产的MOC3041-3081系列芯片。由于采用了可靠的封闭形式且芯片内部的介质能在逻辑控制电路和负载电路之间提供高达数千伏的隔离冲击电压，因而使这类器件具有体积小，寿命长、抗电磁干扰和机械振动能力强以及输入输出完全隔离等优点。 MOC3061光电耦合器的额定电压是600v，最大重复浪涌电流为1A，最大电压上升率du/dt为1000V/us以上，一般可到达2000V/us，输入输出隔离电压大于7500V,输入控制电流为15mA。3.2.2 触发电路双向可控硅的触发电路，如图3.3所示： 当双向可控硅Si的控制信号输出低电平时，MOC3061的输入端就有约为

47、5-15mA的电流输入，在MOC3061的输出端6脚和4脚之间的电压稍过零时，内部的双向晶闸管就导通，触发外部的双向晶问管Si导通。当输出为高电平时，双向晶管S，关断。MOC3061在输出关断的状态下，也会有小于或等于500A的电流，在触发电路中，接入电阻R3可以消除这个电流对外部晶闸管的影响。电阻R1是MOC3061的限流电阻，用于限制流经MOC3061输出端的电流最大值不超过1A。MOC3601的过零检测的电压值为20V，但是限流电阻不能只取20欧。因为在电感性负载系统中，R1的值需要增大。一般情况下，R1的取值在27-330。之间。本文电路中，取为47。需要注意的是，R1在取值较大时，会

48、对最小触发电压产生影响。这是因为，MOC3061的最小触发电压的计算公式为:其中:IR3流经R3的电流; IGT晶闸管KS的门极触发电流; UGT晶闸管KS的门极触发电压: UTMMOC3061输出晶闸管的导通压降，一般取为3V。与双向晶闸管S1并联的RC回路，就是用于降低双向晶闸管所受的冲击电压，从而保护S1及MOC3061。图 双向可控硅触发电路 在可控硅的触发电路中，必须对加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt应有所限制。晶闸管有一个重要特性参数断态电压临界上升率dv/dt。它说明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。假设电压上升率过大，超过了晶闸管的

49、电压上升率的值，那么会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况。因为晶闸管可以看作是由三个PN结组成。 在晶闸管处于阻断状态下，因各层相距很近，其J2结结面相当于一个电容Co。当晶闸管阳极电压变化时，便会有充电电流流过电容Co，并通过J3结，这个电流起了门极触发电流作用。如果晶闸管在关断时，阳极电压上升速度太快，那么C。的充电电流越大，就有可能造成门极在没有触发信号的情况下，晶闸管误导通现象，即常说的硬开通，这是不允许的。因此，对加到晶闸管上的阳极电压上升率应有一定的限制。 为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管平安运行，需在晶闸管两端并联R

50、C阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的(变压器漏感或负载电感)，所以对电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R, L, C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，防止电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。与双向晶闸管S并联的RC回路，就是用于降低双向晶闸管所受的冲击电压，从而保护S，及MOC3061。 同时，也必须对晶闸管上的电流上升率di/dt进行抑制。因为，晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极外表较小的区域，局部电流密度很大，然后以0.1 mm/ s的扩展速度将电流扩展到整个阴极面。假设晶闸管开通

51、时电流上升率di/dt过大，会导致PN结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率，使其在适宜的范围内。其有效方法是在晶闸管的阳极回路串联入电感。 由于上述可控硅触发电路，能够依靠光电祸合器自动实现了触发电路与系统电压的同步:同时，它以集成芯片替代了由分立元件组成的功放、驱动以及脉冲变压器等环节，并在控制电路与主电路间实现了完全的光电隔离，因而具有结构简捷、可靠性高和价格低廉的特点。3.3 保护电路3.3.1 保护电路原理 保护电路原理，如图3.4所示。图中，IC1是过压保护比拟放大电路，IC2是久压比拟放大电路，T与HA, J, LED是共用的驱动执行电路。交流输入电压在额定范围之内时，T不动作。 当

52、输入电压高于过压保护设定值时，取样电压高于基准电压，它接至IC1的同相输入端与接在反相输入端的基准电压进行比拟放大后，IC1输出为正电平，使T导通，J吸合，其动断触头断开而切断输出。一旦输出电压低于过压保护设定值时，取样电庄低于基准电压，IC1输出为零电平，T截止，J释放，其动断触头复原，从而使电源恢复正常的输出。 输入电压UI经变压器TC的N22绕组，D1-D4整流，由电位器RP1设定输入电压的上限值，对应的电平送至比拟器IC1的同相端;由R5,R6给IC1的反相端设定基准电压。当输入电压UI经RP1形成的反响电压高于基准电压时，IC1输出正电压扩晶体管T导通，继电器J吸合，断开输出电路。这

53、时，二极管LED(红色)发光报警，同时，蜂鸣器HA发出声音。这时输出电压为零，从而防止用电设备因过压而摄坏。由R7与Dz构成的二次稳压电路，作为基准电源。Dz选用DW231，它是带盘度补偿型的精密稳压二极管，主要技术参数为*动态电阻Rz<l0,电压温度系数Ctv< 5*1000000/，稳定电压值Uz =6V，最大稳定电流Izm=O.03A,稳定工作电流Iw=O.O1A。欠压保护电路的工作原理与过压保护相同，只是取样电压接至IC2的反相输入端，基准电压接至同相输入端，以到达输出电压低于欠压保护设定值时，使IC2输出为正电平，使T导通，J吸合，切断输出电压，从而到达欠压保护的目的。过,欠压保护电路的比拟放大器分别由LM324中的单个运放构成。控制用继电器J用JTX型，线圈工作电压12V，线圈电阻150，触头负载3*5A,本文将三组触头并联使用。T选择3D325,二极管D为T的保护二极管，选用ZCK型小功率开关二极管，其反何击穿电压大于2倍工作电压。图3.4 保护电路3.4 辅助直流稳压电源设计3.4.1 +5V直流稳压电源 图3.5所示电路为+5伏输出的直