（电力系统及其自动化专业论文）数字式交流调压电源的研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e l e c t r i ce n e r g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te n e r g yf o rt h eh u m a n p r o d u c t i o n a n dl i f e r e a s o n a b l e ，e f f i c i e n t ，a c c u r a t ea n de a s yt ou s ee l e c t r i ce n e r g yi ss t i l la m a j o rp r o b l e m s t a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，a c c u r a c ya n de f f i c i e n c ya r ei m p o r t a n tf o r p o w e rs u p p l y ，b u ts m a l ls i z ea n dl i g h tw e i g h ta lea l s ov e r yp r e s s i n gn e e d s a t p r e s e n t ，h i g hf r e q u e n c y ，s m a l lc o m p o n e n t sa n ds t r u c t u r e si st h ep r i m a r ym e a nt o s o l v et h ep r o b l e m p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi nt h ep o w e rs u p p l yb r i n g sa r e v o l u t i o ni nt h eu s eo fe l e c t r i ce n e r g y t h et e c h n i q u eo fp h a s e c o n t r o la cv o l t a g er e g u l a t o rh a saf a s t e r r e s p o n s e t i m e ，w h i c hi sl e s st h a nac y c l ev o l t a g ep o w e r b u tt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t c o n t a i n sal o to fh a r m o n i c ，s oi t r e q u i r e sal a r g e rc a p a c i t yf i l t e ra n dh a sl o w p o w e rf a c t o r t h et e c h n i q u eo fa cv o l t a g er e g u l a t o rw i t hc h o p c o n t r o li san e w a n dh i g h p e r f o r m a n c et e c h n o l o g y b a s e do na n a l y s i so fh a r m o n i co u t p u tv o l t a g e o fc h o p p i n ga cv o l t a g er e g u l a t o ra n da u t o m a t i cc o n t r o l t h e o r y ，th ep a p e r d e s i g n e da na cv o l t a g er e g u l a t o rs c h e m e t h i sp a p e re l a b o r a t e dt h et h e o r yo fa c v o l t a g er e g u l a t o rw i t hc h o p c o n t r o l a tf i r s t ，w h i c hw a sm a i n l ya b o u th a r m o n i ca n a l y s i s a f t e rt h a t ，t h ep a p e rd e s i g n e d t h em a i nc i r c u i t ，i n c l u d i n gt h ep a r a m e t e r so ft h eo u t p u tf i l t e rc i r c u i ta n di g b t b u f f e rc i r c u i t i no r d e rt oa c h i e v en o n - c o m p l e m e n t a r yc o n t r o l ，t h ep a p e r d e s i g n e d z e r o - v o l t a g ea n dc u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t s s t c12 c 5 410 a dm c ua sac o r e c o n t r o ld e v i c e s t h el o o po fa c v o l t a g er e g u l a t o rc o n t r o l l e db yi m p r o v e dd i g i t a l p i d c h o p p i n ga cv o l t a g er e g u l a t o ri se a s yt of i l t e ra n dt h eo u t p u tv o l t a g eh a s f e w e rh a r m o n i c sf r o m e x p e r i m e n t c o m p a r e dt op h a s e c o n t r o la cv o l t a g e r e g u l a t o r ，c h o p p i n ga cv o l t a g er e g u l a t o rh a sm o r ea d v a n t a g e s k e yw o r d s ：h a r m o n i ca n a l y s i s ； n o n c o m p l e m e n t a r y a cv o l t a g er e g u l a t o rw i t hc h o p c o n t r 0 1 ) c o n t r o l ；d i g i m lp i d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密晌用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位敝作者签名：吞荣拿 日期：2 o o 富吖呼 指导老师签名：刁荔娥 日期：上帆墒o 厂6 乒 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本论文主要创新点如下： 1 、利用软件编程的方法来实现脉宽可调的带电压、电流检测的非互补控 制的i g b t 驱动脉冲。 2 、利用改进的数字p i d 来实现调压、稳压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 交流调压电源的发展动向 交流调压器在工矿企业、交通运输、邮电通讯、国防科研、医疗设备、 家用电器及建筑大楼等许多方面得到了广泛应用。经过多年发展，交流调压 电源己成为电源技术的一个重要分支。交流调压从原理和结构来分，可分为 三类：电机类、变压器类和电力电子类，如表l - l 所示。 感应调压器 电机类 感应自动调压器( 感应稳压器) 可调可稳感应调压器 交 ( 环形) 接触调压器 流柱式( 接触) 调压器 调 变压器类 补偿式交流稳压器 压 转圈式( 接触) 调压器 电 移圈调压器 源 磁性调压器 分接式( 抽头式) 调压器 晶闸管( 可控硅) 调压器 电力电子类 晶体管调压器 i g b t ，m o s f e t 开关式调压器 图2 1 交流调压电源分类 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 向高电压、大容量方向发展 由于大功率负载容量不断提高，对更高电压等级更大容量的各类调压器 的需求开始增加。前几年就有用户提出需要7 0 0 0 k v a - 8 0 0 0 k v a 的感应调压 器。近年也有国外用户提出需要2 0 k v 、2 0 0 0 k v a 的感应调压器。对柱式调 压器1 0 k v ，1 0 0 0 k a 3 0 0 0 k v a 的调压器，国内也有用户提出供货需求。对 晶闸管调压，单相6 9 0 v - 7 5 0 v ，3 6 0 0 a ，2 5 0 0 k v a ，三相1 5 0 0 v ，4 0 0 0 a ， 1 0 0 0 0 k v a 的调压器也有市场需求，但是晶闸管调压对电网的污染比较严重。 1 1 2 向智能化、数字化方向发展 近几年出现的智能开关调压器，采用单片微机控制2 4 只晶闸管零电压开 关的通断，从而改变补偿变压器的补偿电压的大小和极性，实现了无电刷、 无伺服电动机和无机械传动的快速分相自动调压。允许电网电压波动3 0 ， 稳压精度( 3 5 ) ，反应时间小于l o o m s ，就是这方面动向的例子。而数 字控制器、数字触发器都是应用单片机技术解决调压器的自动控制，解决晶 闸管可靠触发的具体事例。 1 1 3 向抗干扰、净化电源方向发展 1 0 余年前，美国出现了一种叫电源调节器( p o w e rc o n d i t i o n e r ) 的产品。 它像空调( a i r c o n d i t i o n e r ) 优化净化空气一样，能优化净化电源。它除了能 极其快速地自动稳压之外，还能非常有效地隔离和衰减各种电磁干扰。与 u p s ( 不间断电源) 相比，除了“断电 这种干扰不能排除外，其它干扰( 占 计算机受干扰次数9 9 5 ，断电只占0 5 几乎都能对付，而价格比同容量 u p s 要便宜得多。这种产品在我们国内被翻译为“净化电源 或“抗干扰高 级稳压器 。这种产品的主要部分是在超级隔离器( 带有三重屏蔽的隔离变压 器) 的初级绕组有若干抽头，由晶闸管零电流开关进行快速自动切换保持稳 压，由超级隔离器及其它滤波措施对各种干扰进行衰减。这种产品容量范 围，单相在0 2 k v a 一2 0 k v a ，三相在1 0 k v a l5 0 k v a 。电源电压波 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 动范围2 0 ，稳压精度( 1 5 5 ) 不等，反应时间1 0 m s ，共模噪声衰减 1 2 0 d b 1 4 0d a ( o 1 1 0 m h z ) ，差模噪声衰减4 0 d b 6 0d b ( 1 k h z - 1 0 m h z ) ，谐 波畸变率增加量 c ( t ) = p ( t n t 。) 其中：p ( t ) 为单个幅度为1 的方脉冲，c ( t ) 为一列方脉冲。不难看出输入电压、 输出电压和脉冲列c ( t ) 之间存在着以下关系： u 。( t ) = c ( t ) u ( t ) = u ( t ) p ( t - n t 。) ( 2 2 ) n = 枷 c ( t ) 可以展开为傅里叶级数，其形式为： c ( t ) = c n e 脚 其中： c n = z 1 s s 严l t j 他1 2 p ( t ) e 脚d t 将式( 2 3 ) 代a k ( 2 2 ) 得调压器输出电压的级数表示形式为： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 u 。( t ) =u ( t ) cn e 脚 ( 2 5 ) 将式( 2 5 ) 进行傅氏变换，得斩控式交流调压器输出电压的频谱为： u 。 ) = e c n u ( c a - n c o ) ( 2 - 6 ) u ( u ) 是输入电压u ( t ) 的傅式变换，对用于工频的斩控调压器仅有一个单一的 工频成分，为后面分析方便，设其振幅值为1 ，则u ( t ) - - s i n ( i ) m t ，则其傅式变换为： u ( 缈) = j z 8 ( c o + 彩m ) 一万( 国一功m ) 】( 2 7 ) 由式( 2 - 4 ) g l 根据式( 2 1 ) 可以求出c n 的具体表达式： c n = j 1 f , 2 e j n 国, t d t ( e j n m t 。2 _ e j n m t 。2 ) 根据欧拉公式。c n 可表示为： c n = 者s i n ( n o ) 。t o ：) ( 2 8 ) n 彩s 上s 、。 由于( i ) s t s = 2 ，t o t s = d ，上式可表示为： c n = 二s i n ( n 加) ( 2 9 ) 对于输出电压u o ( t ) 的基波即n - 0 的成分c o 表示为： c 。= 脚警= 。 p 呐 式( 2 - 1 0 ) 说明斩控式交流调压器输出电压的基波成分( 即有用的频率成分) 的 幅度是输入电压幅度的d 倍。经输出低通滤波器滤除谐波成分后，u o ( t ) = d u i s i n ( ) m t 。通过调节占空比d 可以使这一成分的幅值在0 到输入电压的幅值之间 变化，这与斩控式调压器的原理吻合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 2 谐波成分的频率 将式( 2 - 7 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) ，可以得出输入电压为正弦波时输出电压的频 谱表示式为： u 和) 2 丕寺i n n x d 咖瞅c o - - n o ) s 4 - o ) m ) 巧( o ) - - n o ) s - c o m ) 】( 2 - 1 1 ) 由式( 2 1 1 ) 可知，输出电压的频率成分为： 仞n - - - n c o s 国m( 2 1 2 ) 输出电压所包含的频率成分与电子开关频率f s 和输入电压频率f m 有关， 在n f s 的左右成对出现，每一对谐波成分幅值相等。对于用于工频的交流斩控 式调压器，( i ) m 即工频角频率( ( 1 ) m = 2 兀5 0h z ) ，要比( i ) s 低得多，通常f s 在2 0 k h z 以上，这样谐波成分的频率比基波成分大得多，这为输出电压的滤波创造 了有利条件。例如，f m = 5 0h z ；f s = 2 0k h z ，谐波中最低的频率成分为1 9 9 5 0h z 和2 0 0 5 0h z ，在负载端将其滤除较容易。而且，f s 越高谐波频率就越高，在进行 除较容易。而且，f s 越高谐波频率就越高，在进行低通滤波时滤波元件的参数 就越小，更容易实现。 2 2 3 谐波成分与占空比之间的关系 由式( 2 1 1 ) 可知，谐波成分出现在n f s + f m 处，占空比d 对其没有影响。但 是谐波成分的幅值决定于c n ，确切地说谐波成分的幅度就是c n 的模i c n i ，由 式( 2 9 ) 可知，c n 是d 的函数，且与f s 、f m 均无关。输出电压u o ( t ) 的第n 次谐 波的幅值u o n 为： f1i u = c n 2 岳s i n l a n d i ( 2 - 1 3 ) 根据式( 2 1 3 ) 作出n = t 、2 、3 时u o n 随d 变化的曲线如图2 - 2 所示。由 图2 2 可以看出，各次谐波分量的幅度均随占空比变化，其最大值为1 n 。不 同谐波成分出现最大值的位置是不同的。这一点与降压型( b u c k ) 直流斩波器 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 完全相同。 图2 2 谐波幅值与占空比关系曲线图 由图2 2 还可以看出，c n 曲线左右对称于d = 0 5 ，而由式0 0 ) 可知基波成 分( 即输出电压中有用的成分) 的幅度u o o = c o = d ，应该是一条通过原点的直线， 随d 的增大而增大。因此，d 越大，输出电压中谐波成分与基波成分的比值就 越小，此时输出电压的质量也就越好。由上述分析可知，输出电压基波成分有 效值u o o = d u ，如果斩波周期远小于工频电源的周期，在一个斩波周期中，可认 为电源电压u 值基本不变，这个斩波周期中的输出电压有效值( 方均根值) 为 u d l 2 。因此在整个周期中输出电压有效值为u o = u d 2 ，其中u 为电源电压有 效值，这样，输出电压中谐波成分的有效值为： 广= _ 一， u o r = u 舌一u 蔷= u x d - d 2 ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 作出输出电压中谐波成分标幺值随占空比变化的曲线如图2 3 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 3 谐波有效值与占空比关系曲线图 由图2 3 可见，输出电压中的谐波成分在占空比为o 5 时最大。占空比越小，输 出电压中的基波成分就越大，设为输出电压中基波、谐波成分有效值之比， 则有： 占：! 望= 望( 2 1 5 ) 占= 一 z i ) ， d 根据式( 2 1 5 ) 画出随占空比变化的曲线如图2 - 4 所示。 图2 4 谐波基波( 有效值) 与占空比关系曲线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 由以上分析可得：降压型斩控式交流调压器的输出电压有以下的特点： 1 、输出电压的基波成分u o o ( 与输入电压频率相同的成分) 的幅度与输入 电压u 的幅度呈正比，比例系数为占空比d ，u o o = d u 。 2 、谐波频率出现在n 倍电子开关工作频率n f s 的两侧，成对出现。并且， 每对谐波电压的幅值相等，但相位相反。谐波频率与占空比无关。 3 、对任何一次谐波，其谐波电压的幅度均为占空比的一元函数，最大值为 1 ( n ) 。占空比越大，输出电压中谐波成分的比重越小。1 4 5 l 2 3 主电路的拓扑结构选择 交流斩波控制调压技术是一种新型的高性能交流调压技术，在主电路结 构上主要有以下几种拓扑，下面对这几种拓扑结构进行简单比较分析，指出 它们各自的优缺点，使用场合并结合本论文确定适合的拓扑结构。1 2 3 1 2 3 1 单管双向电子开关斩控式交流调压电路 图2 5 所示的为单管双向电子开关斩控式交流调压电路原理图，在单管 双向电子开关中全控开关只有一个，其它由四个不控的快恢复二极管构成 该拓扑为一种经济型单管交流调压电路，开关管对整流脉动输出电压进行斩 波，从而达到调压目的可以看出这种拓扑结构简单，且只有一路驱动信号， 是一种经济型交流调压电路但这种电路只能用于阻性负载，所需的滤波电容 比较大，且要求电容能通过较大的交流电流。该拓扑有较大的浪涌电流，由 于电容积分效应，电路动态响应速度变慢，故其仅适用于成本低、性能要求 不高、容量较小的交流调压中。 d 1 d 2 图2 5 单管双向电子开关斩控式调压电路 r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 2 单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路 图2 - 6 所示的为单管反串联双向电子开关斩控式交流调压电路的原理 图，图中v 1 ，v d l ，v 2 和v d 2 构成双向斩波开关，v f i 和v d f l ，v f 2 和v d f 2 构成双向续流开关在实际电路中，双向开关由采用带有反并联二极管的单 i g b t 功率模块反向串联组成这种连接i g b t 与二极管特性配合好，并可减 小引线电感对换流的影响。l i f , c i f 和l o f , c o f 分别组成低通输入、输出滤波 器。 阳誓一一： i i 一 一c o f o ，负载通过调压电路向电源吸取电能； 相反，在时区a 和c ，有u o = u i n ，也即电路在这2 个时区里失去控制，无论v i ( 正半 周) 和v 2 ( 负半周) 的电平如何变化，电路的状态不变。因为在这两个时区里，u o 和i o 异号，瞬时功率p o = u o 。i o 0 ，负载储能通过调压电路向电源反馈无功电能。 由于失控区的存在，输出电压不能再按2 1 节中公式来计算，其所含的最低次 谐波不再是f s f m ，而是3 次和5 次谐波，而且这些谐波的幅值随基波阻抗角的 增大而增高。为了消除失控现象，可以采用有电流检测的控制方案，即通过输 出电流和电压的状态来决定控制信号的时序，如图2 1 0 ( b ) 所示。 n 睨 叭 嫩 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 弋 l i a b 弋 j 一 t i i ； i 一i l t - l ： i 一 t l l t 几nr 、 l l i i 删v r t i i i i ，一、 - ， l r t ( a ) u i n ； 一 ta b l l li 卜 一一一i ： ， ： !l 毛 i- t i几l l i l 一 t nnr 、 v j v r t l l 一 t ( b ) 图2 1 0 感性负载非互补控制时序 由图2 1 0 ( b ) 图可见根据负载电压、电流的相位，一个电源的工作周 期可以分为四个区间，一个周期内各开关管的门极驱动状态如表2 1 所示： 电压、电流极性开关管门极驱动状态 工作区 u s1 0 v 1v 2v f lv f 2 区间a + 0l1 一 u g 区间b + u g l lo 区间c + l0 一 l u g 区间d 1 u g 0l 表2 1 开关管的门极驱动状态 h 睨 m 莓； 仉 n 睨 m 舵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表中“l 在该区间内门极加驱动信号 “0 门极驱动信号封锁 u g 、站斩波开关、续流开关门极p w m 驱动信 这样，在有输出电流检测的条件下，尽管是具有非阻性负载，采用非互补控 制方式，输出电压波形将与纯阻性负载相同。 2 5 输出滤波电路设计 斩控式交流调压的输入、输出电压中含有高次谐波，这些高次谐波会对 电网造成较大的谐波污染，同时高次谐波可能会产生电磁干扰导致周围的一 些电子设备、计算机类敏感负载、通讯系统等不能正常工作。因此滤波器的 设置和设计具有重要的意义。 由2 2 节斩控式交流调压器输出电压的谐波分析可知：输出电压所包含 的频率成分与电子开关频率f s 和输入电压频率f m 有关，在n f s 的左右成对出 现，每一对谐波成分幅值相等。对于用于工频的交流斩控式调压器，m 即工 频角频率( ( 1 ) m = 2 丌x 5 0h z ) ，要比( i ) s 低得多，通常f s 在2 0 k h z 以上，这样谐波 成分的频率比基波成分大得多，这为输出电压的滤波创造了有利条件。f s 越高 谐波频率就越高，在进行除较容易。而且，f s 越高谐波频率就越高，在进行低通 滤波时滤波元件的参数就越小，更容易实现，输出滤波器常用l c 低通无源二 阶滤波器。 2 5 1 滤波器拓扑结构及数学模型 滤波器结构如下图2 1 1 所示： l u o 图2 1 1l c 滤波器拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 若不计电感线圈的内阻及电容器的漏电阻，则滤波器在纯阻性负载时的 转移函数为： u 。( s ) u i ( s ) 土s 2 + 鲨s + 1 缈c o ) c 其中：力p = 去谐振角频率 x l c 孝：当、昙阻尼系数 亏2 丽、石阻尼系双 u o ( s 卜滤波器输出电压 u i ( s ) 滤波器输出电压 s 拉普拉斯算子 2 5 2 滤波器参数的确定 ( 2 1 6 ) l 、从系统对控制对象频率特性的要求选择滤波器的l ，c 在本毕业论文中f m = 5 0 h z ，f s = 2 1 6k h z ，谐波中最低的频率成分为 f h a r ( m i n ) l = 2 1 5 5 0 h z 。为了使滤波器输出电压接近正弦波同时又不会引起谐振 问题，l c 滤波器的截止频率f c 必须要远小于p w m 电压中所含有的最低次谐 波频率，同时又要远大于基波频率。l c 截止频率f c 选为： 10 f m f c f h a r ( m i n ) 取f c = 1 0 f m 则( i ) e = 31 4 0r a d s ，由式( 2 1 6 ) 可得： l c ：上：乓 ( 2 1 7 ) 2 3 1 4 0 2 2 、从负载变化时功率因数最高的角度选择滤波器的l ，c 要使系统在运行时，对各种负载都具有较高的功率因数， 参数的时候就必须考虑负载的影响。 系统的总的阻抗为： z 垆= 赤l i z 巾c l 在确定滤波器 ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 令z 2 a + j b ，负载功率因数为c o s 9 - 了a 寺吖一+ d 一 把z = a + j b 带入到式2 1 8 ，并化简得 z s y i = c o2 c 2 a 2 三+ ( c o c b - - 1 ) 2 + j c 0 2 c 2 a 2 + ( c 缈o c w b - 1 ) 2 + c 【o 州l - b c o c 1 ) a 2 - c o c a 2 + b - ( 2 1 9 ) 令： a2 磊习瓦a 丽 缈一乙。a 。+ l 髓u d lj 一 b ： c o 2 c 2 a2 + ( a , c f b j - 1 f ) 2 c o l - o j c a f 2 - c o c a 2 一+ b c o2 c 2 a 2 + ( c o c b 1 1 2 则：z s y s = a + j b l z 驴i = 厨面= 瓦丽1 c o s 矽= 一= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = lz s y s l a 2 + c 0 2 c 2 a 2 + ( c o c b 一1 ) 2 】c o l a 9 2 a 2 一彩c b 2 + b 2 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 由于市场上销售电容器的电容量是按特定规律分布的，而电感器的电感量却 是可以随意加工的，故考察系统功率因数随电感l 的变化关系。因此用式 ( 2 - 2 2 ) 对l 求偏导数可得： 一d c o s ( o ：o 丝坚塑黑 ( 2 2 3 ) 一= 一 z - d l 【a + ( m c o l n + b ) 】j j 其中：m = 国2 c 2 a 2 + ( 缈c b 一1 ) 2 ，n = c o c ( a 2 + b 2 ) 当m 乩一n + b = 0 ，即： l ：一n - b ：；车拿! 堕二皇i 一 ( 2 2 4 ) = 一= - 一 二- m c o p c a + ( c o c b 1 ) 忉 时式2 - 2 3 等于零，系统功率因数c 。s 伊= l ，当l 面萋竽三蒜时， 式2 - 2 3 小于零，所以系统功率因数随着l 的 面瞰 万蟀a 万耥面埔而 | _ 入一“加 一謦 协 面叭a 可 石戈叫式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 上升而单调下降。 根据式( 2 1 7 ) 、( 2 2 2 ) 用m a t l a b 分别绘制出e 在3 0 。、0 、3 0 。时 系统功率因数c o s 够随l 的变化曲线。 负载为阻容性负载时：r l = 4 0q ，c 1 = 1 3 7 8 4 e 。f ，0 = 3 0 。式2 2 2 中 a = 4 0 ，b = 2 3 0 9 4 ，系统功率因数c o s q ，随l 的变化曲线如图2 1 5 曲线1 ； 负载为纯阻性负载时：r l = 4 0 q ，0 = 0 。式2 2 2 中a = 4 0 ，b = 0 ，系统 功率因数c o s q ，随l 的变化曲线如图2 1 5 曲线2 ； 负载为阻感性负载时：r l = 4 0q ，l 1 = 7 3 5 1 5 m h ，0 = 3 0 。式2 2 2 中 a = 4 0 ，b = 2 3 0 9 4 ，系统功率因数c o s t p 随l 的变化曲线如图2 1 2 曲线3 。 图2 1 2 系统功率因数c o s 伊随l 的变化曲线 阻感性负载纯阻性负载0 阻容性负载 3 、负载功率因数变化时系统功率因数的变化 由于负载的功率因数不是常数，为了使负载功率因数c o s0 中的0 在常用 的3 0 。- - + 3 0 。的范围内，系统的功率因数c o s 由都较高。本文采用l ，c 的选择 方法为：考察负载功率因数c o s0 中的0 在3 0 。- - + 3 0 。之间变化，绘制各个0 值时系统功率因数c o s 由随着l 的变化曲线，从中找出l ，c 的值。如图2 1 5 所 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 示：若令0 = 3 0 。和0 = + 3 0 。情况下，系统功率因数g o s 巾= 1 的滤波器电感值 l 分别为l 左，l 右。则在0 ( 一3 0 。，+ 3 0 。) 时，c o s 由= l 的滤波器电感值l ( l 左，l 右) ，即在0 ( 3 0 。，+ 3 0 。) 时，c o s 巾随滤波器电感值l 的变化曲线是图2 中的曲线向曲线移动，从而可知在0 【- 3 0 。，+ 3 0 。】时，要使c o s 由都较高， 只须满足0 在3 0 。和+ 3 0 。时，c o s 咖都较高即可。所以本文在滤波器参数选择 中选l 为图2 中的曲线和曲线的交点处的l 值。此时l = 1 4 5 1 m h 。 4 、确定l 。c 参数 从以上分析可知，取l = 1 4 5 lm h ，系统在各种情况下都有较高的功率因 数。此时，c 应为7pf 。但在实际应用中，大部分负载为阻感性负载，所以本文 设计的滤波器选取图2 中曲线和的交点作为设计准则，取l = 4 6 1m h ，此 时，c 应为2 2uf 。 5 、滤波器的频率特性 将所得滤波器l ，c 的值，代入式( 2 1 6 ) ，可得其频率特性如图2 一1 3 所示。从 图2 1 4 中可以看出： 1 ) 角频率在3 1 4r a d s 以内的基波无衰减地通过，即工频5 0h z 可以无衰减 地通过： 2 ) 对开关频率为2 1 6k h z 的主电路而言，所产生的高频分量，即角频率在 3 1 4 0r a d s 以外的谐波均可得到很好的抑制。 2 1 3 滤波器波特图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 2 6ig b t 的缓冲电路及参数设计 随着电力电子技术的发展，全控器件在各类电力电子电能变换装置中得 到广泛的应用。器件频率的提高大大减小了装置的体积，但器件开通和关断 损耗增大，由此引起器件温升增加，导致器件的可靠性变差，寿命减短，使 装置效率降低。另外，开关器件的快速通断控制，使得电力电子装置和系统 产生频繁且较大的电压突变、电流突变，电压电流波形畸变，无功功率加大， 功率因数降低。如不采取有效措施，则电网和空间的环境污电磁场的辐射发 射形成的电磁干扰) 将形成严重的公害，很可能使某些设备无法正常工作或引 起重大事故。另外，过大的电压、电流和d v d t ，d i d t 也可能导致开关器件误 触发或永久失效。 缓冲电路可以有效的改变开关过程中电流、电压变化轨迹，使开通过程 中流过器件的电流缓慢上升，关断过程中开关承受的电压缓慢上升，从而减 少器件的开关损耗，保护器件不承受超过允许值的过压、d u d t ，d i d t 抑制换 流过程中电压、电流尖峰造成的电磁干扰。 在本设计中使用的开关器件是h 4 0 t 1 2 0 型号的i g b t ，由于斩波输出滤 波是使用t 型无源低通滤波器，所以在开关管关断时，存储在电感中的能量 就有可能形成电压过冲尖峰，增加开关器件的电压应力，严重时还有可能损 坏开关器件。驱动i g b t 要求栅极电流要大，以便使存储时间越少。遗憾的 是栅极电流过大情况会使栅一发结击穿，i g b t 损坏有两种方法可以防止这 种情况发生：一是在集电极一发射极电压v c s 处于低值时，关断i g b t ；二 是管子关断时，集电极电压上升的同时，较快的减少集电极电流。其缓冲电 路如图2 1 4 所示。 其工作原理是：当i g b t 关断时，电容c 通过二极管d l 冲电到v e v e 。 这样集电极电流有了分路，导通时，c 通过电阻和i g b t 放电。参数的选择 可按经验公式求得。在关断时，能量转换关系可写成 掣= 三2 ( 2 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 t 1 叫 v g v c r c 图2 1 4r c d 缓冲电路 其中i c 最大的漏极电流( a ) v c e 一最大的漏源极电压( v ) t f 最大的漏极电压上升时间( u s ) 仃最大的漏极电压下降时间( u s ) 解得电容c 的表达式为： c ：i c ( f f + t r ) ( 2 2 6 ) 据上述，i g b t 关断时c 充电，i g b t 开通时，已充电的c 经r 和i g b t 放电，电容器两端的电压为：v c = v c er c 。为了承担i g b t 关断时全部的充 电电压，选r c 值使e 一一r c ：l ，从而v 。= v c 。同样我们选择r c ，使电容在每 次导通是t o n 中，可放完电。假设三倍时间常数可以放完电，则 3 r c - - t o r = t o 3 c( 2 - 2 7 ) 为了防止i g b t 开通时，由于i d i s 的存在影响i g b t 的安全，计算得到 的电阻值必须限制放电电流i d i s 为集电极电流i d 的1 4 ，则 i 血= 导 0 2 5 i c ( 2 - 2 8 ) 如果按式( 2 2 7 ) 计算的r ，使之不满足( 2 2 8 ) 时，则按 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 r ：玉l ( 2 2 9 ) 0 2 5 1 c 重选r 值，电阻的功率为： p r = 去c 2 f ( 2 3 0 ) 二 式中f 为i g b t 工作频率。 根据( 2 2 5 ) 至( 2 3 0 ) 式计算得到，在本设计中使用的缓冲电路参数为c = 2 2 n f ，r - - 1 kl 2 w ，而二极管采用快恢复二极管f r 3 0 7 。1 5 1 2 7 电路仿真验证 o 图2 1 5 阻性负载仿真电路图 对阻性负载用p s i m 6 0 对其作了开环仿真验证，仿真电路如图2 1 5 所示。 仿真参数设置为：电源电压峰值为2 8 2 8 v a c ，频率为5 0 h z ，斩波频率为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 2 1 6 k h z ，占空比分别为0 3 、0 5 ，l l = 1 4 5 1 m h ，c 1 = 7 u f ，r ：4 0 q ，仿真时 间为6 0 m s 。占空比为o 3 仿真波形如图2 1 6 所示，占空比为0 5 仿真波形如 图2 1 7 所示。 从输出波形上可以看出经过简单的低通滤波，在负载上就能得到较为理 想的电压、电流正弦波形，调压效果比较理想。 ：八 分l7 k、i f r 守 r 守v 图2 1 6 占空比为o 3 仿真波形 、八 一- x| 、 i；、 j|f r f 7、i i 。- 卜 v vv 图2 1 7 占空比为0 5 仿真波形 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 第3 章控制电路设计 3 。1 控制电路的构成及其工作原理 整个调压系统是使用微型机控制。s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 单片机是整个控制 系统的核心，管理整个系统的工作。 触发电路采用了具有自举技术的专用芯片i r 2 11 0 ，配合电流、电压过 零点检测电路，在s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 单片机的控制下产生p w m 脉宽调制信号 触发i g b t 。 电流过零点测量电路通过电流互感器采样电流信号，并将其转换成电压 信号，通过电压比较器检测电流过零点的时刻。电压过零点测量由降压变压 器采样输出电压信号，通过电压比较器检测电压过零点的时刻。在环路控制 中利用交直流电压传感器检测输出电压的大小，把0 - 2 5 0 v 交流电压转换成 0 n 5 v 的直流电压，送d 转换，与所需交流电压的基准进行比较，通过p i d 控制来调节斩波占空比，直至输出电压达到设定电压。 3 1 1s t c l2 c 5 4 10 a d 单片机主要性能： 高速：一个时钟机器周期，增强型8 0 5 1 内核，速度比普通8 0 5 1 快 8 - 1 2 倍 宽电压：5 5 3 8 v 低功耗设计：空闲模式，掉电模式( 可由外部中断唤醒) 工作频率：0 3 5 m h z ，相当于普通8 0 5 1 ：0 4 2 0 m h z 。实际可 达到4 8 m h z ，相当于8 0 5 l ：o 5 7 6 m h z 时钟：外部晶体或内部r c 震荡器可选，在i s p 下载编成用户程序时 设置 1 0 k 字节片内f l a s h 程序存储器，擦写次数l o 万次以上 5 1 2 字节片内r a m 数据存储器 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 芯片内e e p r o m 功能 i s p i a p ，在系统可编程在应用可编程，无需编程器仿真器 1 0 位a d c ，8 通道，4 路p w m 还可以当4 路a d 使用 4 通道捕获比较单元( p w m p c c c u ) 也可以用来实现4 个定 时器或四个外部中断( 支持上升沿下降沿中断) 2 个硬件1 6 位定时器，兼容普通8 0 5 1 的定时器。4 路p c a 还可以实 现4 个定时器 硬件看门狗( w d t ) 高速s p i 通信端口 全双工异步串行口( u a i 玎) ，兼容普通8 0 5 l 的串口 先进的指令集结构，兼容普通8 0 5 l 指令集，4 组8 个8 位通用工作 寄存器( 共3 2 个通用寄存器) ，有硬件乘法除法指令 通用i o 口，复位后：准双向d 弱上拉( 普通8 0 5 1 传统i o 口) ，可 设置成四种模式：准双向d 弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏， 每个i o 口驱动能力均可达到2 0 m a ，但是整个芯片最大不超过5 5 m a 。1 4 s l 3 2 2 单片机外围电路及其主要功能 在整个单片机控制系统中，主要应用了单片机的四个功能模块：i o 口、 a d 转换、p c a 模块、定时器。单片机正常工作电压为+ 5 v ，d 2 为5 1 v 稳 压管，用来保护单片机。单片机外围电路如图3 1 所示： 单片机p 1 2 、p 1 3 工作在高阻状态，用作a d 转换口。p 1 3 为调压基准 输入采样点，r 5 为一电位器，电位器一端接+ 5 v ，另一端接地，通过调节电 位器，来产生0 5 v 的直流电压，通过a d 转换成0 0 1 f f 的十六进数码作为 调压基准值。p 1 2 为输出电压采样反馈脚，在毕业设计的硬件电路中采用 w b v 4 1 2 8 1 型号的电压传感器，其输入交流电压为0 2 5 0 伏，对应输出直流 电压为o 5 v 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 盆 宴 图3 1 单片机外围电路 单片机s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 有四路可编程计数阵列( p c a ) p w m 。每个模 块可编程工作在4 种模式下：上升下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可 调制脉冲输出。模块o 连接到p 3 7 ( p c a 0 p w m 0 ) ，模块l 连接到p 3 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 ( p c a l p w m l ) ，模块2 连接到p 2 0 ( p c a 2 p w m 2 ) ，模块3 连接到p 2 4 ( p c a 3 p w m 3 ) 。设置p c a o 和p c a i 工作在上升下降沿捕获模式下，来检 测电压、电流过零点信号。p 1 o 、p 3 4 、p 3 5 和p 3 7 为4 路p w m 输出口。 3 2 电压、电流过零检测电路 电压、电流过零检测电路通过电压比较器对输出电压过零点进行检测， 把模拟量转化成数字量，送单片机中断，从而确定i g b t 的开关状态。在本 毕业设计中采用l m 3 1 1 电压比较器来实现电压、电流的过零点检测。 3 2 1l m 3 11 简