交流穩(wěn)壓電源的設計畢業(yè)設計

1、景德鎮(zhèn)陶瓷學院本科生畢業(yè)設計論文中文題目： 交流穩(wěn)壓電源設計 英文題目： Design of AC Voltage Stabilizer 院 系： 景德鎮(zhèn)陶瓷學院 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： 金凱明 學 號： 202110350117 指導教師： 金光浪 完成時間： 2021-06-07 摘 要交流穩(wěn)壓電源能為負載提供穩(wěn)定交流電源的電子裝置。又稱交流穩(wěn)壓器。各種電子設備要求有比擬穩(wěn)定的交流電源供電，特別是當計算機技術應用到各個領域后，采用由交流電網(wǎng)直接供電而不采取任何措施的方式已不能滿足需要。 隨著電力電子技術的開展，很多設備都要求穩(wěn)定的交流電源供電，但是交流供電系統(tǒng)存在電力欠缺、電網(wǎng)不

2、盡合理等問題。這一切都會導致用電設備出現(xiàn)工作不正常、精度下降等問題，甚至造成意外的損壞。交流供電品質的改善成了保證系統(tǒng)正常工作的前提。傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓電源存在效率低、觸點磨損、反響時間長、穩(wěn)壓精度低等問題。針對目前交流穩(wěn)壓電源的缺乏。本文設計的交流穩(wěn)壓電源具有設計出一種以電子開關為執(zhí)行機構來控制多組變壓器疊加的主回路補償工作方式并和可控硅無級調節(jié)補償繞組串聯(lián)的一種最新穎的交流穩(wěn)壓電源，它具有穩(wěn)壓精度高、效率高、響應快、帶負載能力強、電源波形失真小、無機械傳動裝置和碳刷磨損、免維護、工作可靠、噪音低、抗干擾能力強、并具有延時、過壓、欠壓保護功能。關鍵詞：電子開關；主回路補償；可控硅無級調節(jié) 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;目錄引言11 電源技術概述2現(xiàn)代電源技術的應用領域2電源的開展趨勢5交流電源分類72 穩(wěn)壓電源總體設計方案92.1 設計概述92.2 研究內容92.3 技術指標92.4 交流穩(wěn)壓電源的總體方案設計92.4.1 單相交流穩(wěn)壓電源的根本原理10 交流調整電路102.4.3 雙向可控制硅的選用112.4.4 雙向可控硅導通模式與對應的補償電壓132.4.5 雙向可控硅短路報警143 穩(wěn)壓電源

9、硬件系統(tǒng)設計163.1 硬件系統(tǒng)的整體框架163.1.1 主回路163.1.2 控制電路163.2 雙向可控硅觸發(fā)電路173.2.1 MOC3061173.2.2 觸發(fā)電路173.3 保護電路193.3.1 保護電路原理193.4 輔助直流穩(wěn)壓電源設計213.4.1 +5V直流穩(wěn)壓電源213.4.2 +12直流穩(wěn)壓電源214 單片機系統(tǒng)設計224.1 主程流程圖224.2 采樣子程序流程圖234.3 數(shù)字濾波程序流程圖244.4 電壓采樣電路254.4.1 ADC0809的特性254.4.2 ADC0809的內部結構及引腳功能264.4.3 采樣電路294.5 系統(tǒng)控制電路295 結論336

10、經(jīng)濟分析報告35致謝36參考文獻37附錄A 總電路圖39引言隨著電子計算機技術應用到各工業(yè)、科研領域后，各種電子設備都要求穩(wěn)定的交流電源供電，而交流穩(wěn)壓電源的出現(xiàn)解決了這一問題。車站信號電源屏從功能上分為調壓、轉換(包括2路電源轉換和輸出轉換)、輸出(包括交流輸出和直流輸出)幾局部,其中穩(wěn)壓局部是電源屏質量的關鍵。目前鐵路車站現(xiàn)場應用的電源屏穩(wěn)壓局部其最主要的缺點是響應速度慢,在兩路電網(wǎng)轉換過程中容易產(chǎn)生過壓或欠壓;有機械磨損,易損壞;輸出失真大。隨著技術進步,繼電式設備正逐步被電子設備所取代,設備對電源質量要求越來越高。穩(wěn)壓電路具有效率高、可靠性高、抗干擾能力強。補償變壓器功率較小,從而明顯

11、降低材料本錢及功率損耗,到達提高效率,減小重量體積的目的。微機控制使控制電路大大簡化,還可參加輔助功能,如故障診斷、穩(wěn)壓指示、超限聲光報警、延時啟動、故障檢測、缺相保護等各種功能。通信業(yè)的迅速開展極大的推動了通信電源的開展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一

12、般控制在50-100kHz范圍內,實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低本錢。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而到達近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力

13、操作電源等)的核心。1 電源技術概述高速開展的計算機技術帶著人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速開展。上世紀80年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進入了電子、電器設備領域。計算機技術的開展,提出了綠色電源。綠色電源系指高效省電電源,根據(jù)美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星方案規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的外圍設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量假設小于30瓦,就符合綠色電源的要求。提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50W的能源。通信用高頻開關電源就是通過電路控制開關管進行高速的道通與截止

14、將直流電轉化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓轉化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50Hz高很多所以開關變壓器可以做的很小，而且工作時不是很熱。1.1.2直流-直流(DC/DC)變換器DC/DC變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式TS不變，改變ton(通用)，二是頻率調制。這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能20%30%。直流斬波器不僅能起調壓的

15、作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。通信電源的二次電源DCDC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W20Win3。隨著大規(guī)模集成電路的開展，要求電源模塊實現(xiàn)小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。1.1.3不間斷電源(UPS)UPSUninterruptible Power System ，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成局部的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其

16、它電力電子設備提供不間斷的電力供給。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供給給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷事故停電時， UPS 立即將機內電池的電能，通過逆變轉換的方法向負載繼續(xù)供給220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。UPS 設備通常對電壓過大和電壓太低都提供保護。不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流電輸入經(jīng)整流器變成直流，一局部能量給蓄電池組充電，另一局部高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的開展方向。由于

17、IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現(xiàn)無級調速。變頻電源是將市電中的交流電經(jīng)過ACDCAC變換, 輸出為純潔的正弦波，輸出頻率和電壓 一定范圍內可調。它有別于用于電機調速用的變頻調速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。理想的交流電源的特點是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)

18、定、內阻等于零、電壓波形為純粹弦波無失真。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進興旺國家越來越多地將變頻電源用作標準供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術性能。 變頻電源主要有二大種類：線性放大型和SPWM開關型。逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換局部將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經(jīng)高頻變壓器耦合， 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題

19、成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數(shù)、多信息的提取與分析，到達預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓6075V，電流調節(jié)范圍5300A，重量29kg。電力有源濾波器APF是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點傳統(tǒng)的只能固定補償，實現(xiàn)了

20、動態(tài)跟蹤補償，而且可以只補諧波不補無功；三相電路瞬時無功功率理論是APF開展的主要根底理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；該裝置的主要缺點是復雜、本錢高，限制了它的使用。電力有源濾波器的研究與應用，國內有源電力濾波器在技術研究雖然與國內有一定的差距，但近幾年在技術已取得突破性的進展。國內已有多家公司提出了APF產(chǎn)品，并在工業(yè)領域取得了成功的應用，如西安薩博、英納仕電氣等。但隨著我國對電網(wǎng)諧波污染治理日益重視，“綠色電力電子的呼聲愈來愈高，電力有源濾波器必然會得到廣泛地推廣應用。高壓直流電源有著廣泛的應用領域，電力系統(tǒng)中廣泛的用于高壓電氣設備的直流耐壓和泄露試驗，如電力系統(tǒng)避雷器，電力

21、電纜，變壓器繞組及發(fā)電機的現(xiàn)場試驗；工業(yè)中用于環(huán)保的靜電除塵，污水處理，激光器等；醫(yī)學方面用于X光機，CT等大型設備；科研上用于高能物理，等離子物理；軍事上雷達發(fā)射器，脈沖點火技術等。小型、薄型、輕量化使電源小型化的具體方法有：一是高頻化。為了實現(xiàn)電源高功率密度，必須提高PWM 變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。二是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓- 振動變換和“振動- 電壓變換的性質傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之一。三是采用新型電容器。為了減小電子設備體

22、積和重量，提高能量密度，研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器。四是同時采用SMT 技術在電路板兩面布置元件以確保開關電源的輕、小、薄。開關電源比連續(xù)工作電源使用的元器件多數(shù)十倍，對于電力電子裝置，元器件數(shù)量越多，發(fā)生故障的機率越大，裝置的可靠性越低。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長要從設計方面做工作。美國一公司通過降低結溫、減少器件的電應力、降低運行電流等措施使其DC/DC 開關電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的MTBF 高達100 萬h 以上。為了使開關電源輕、小、薄，高頻化開關頻率達兆赫級是必然開展趨勢。而高頻化又必然使傳統(tǒng)

23、的PWM 開關功耗加大、效率降低、噪聲提高，且達不到高頻、高效的預期效益，因此實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產(chǎn)品的開展方向。采用軟開關技術可使效率到達85%88%。據(jù)悉，美國VICOR 開關電源公司設計制造了多種ECZ 軟開關DC/DC 變換器，其最大輸出功率有800W、600W、300W等，相應的功率密度為101.60 W/cm3、160.38 W/cm3 和278.58 W/cm3，效率為80%90%；日本Nemic-Lambda 公司推出一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊RM 系列，開關頻率為200300 kHz，功率密度為3，用同步整流器即用MOS-FER 代替

24、肖特基二極管使整個電路效率提高到90%。在電源集成技術的開展進程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件包括磁集成技術等開展階段。近年來的開展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數(shù)。在此根底上，可以實現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。上世紀90 年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的開展，一體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，產(chǎn)品設計中提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊IPEM。IPEM 將功率器件與電路、控制以及檢測、執(zhí)行等元件集成封裝的模塊，既可用于標準設計

25、，也可用于專用、特殊設計。目前，可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低本錢，提高可靠性。無論是AC/DC 或是DC/DC 變換器都是朝著模塊化方向開展，特點是：可用模塊電源組成分布或電源系統(tǒng)；可以設計成N+1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式結構，實現(xiàn)熱更換，從而在運行中出現(xiàn)故障時能快速更換模塊插件；多臺模塊并用可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)需要擴充容量。電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系

26、列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多電子節(jié)電設備,往往會變成對電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀批量生產(chǎn)各種綠色開關電源產(chǎn)品奠定了根底。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn),現(xiàn)代電源技術將在實際需要的推動下快速開展。在傳統(tǒng)的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的影響減至最小,新型的電源電路拓撲和

27、新型的控制技術,可使功率開關工作在零電壓或零電流狀態(tài),從而可大大的提高工作頻率,提高開關電源工作效率,設計出性能優(yōu)良的開關電源。總而言之,開關電源技術因應用需求不斷向前開展,新技術的出現(xiàn)又會使許多應用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn),將標志著這些技術的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質用電相結合。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快開展起來。還有其他許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器：利用飽和扼流圈和相應的電容器組

28、合后具有恒壓伏安特性而制成的交流穩(wěn)壓裝置。磁飽和式是這種穩(wěn)壓器的早期典型結構。它結構簡單,制造方便，輸入電壓允許變化范圍寬，工作可靠,過載能力較強。但波形失真較大，穩(wěn)定度不高。近年開展起來的穩(wěn)壓變壓器，也是借助電磁元件的非線性實現(xiàn)穩(wěn)壓作用的電源裝置。它和磁飽和式穩(wěn)壓器的區(qū)別在于磁路結構形式的不同，而根本工作原理那么相同。它在一個鐵心上同時實現(xiàn)穩(wěn)壓和變壓雙重作用，所以優(yōu)于普通電源變壓器和磁飽和穩(wěn)壓器。 磁放大器式交流穩(wěn)壓器：將磁放大器和自耦變壓器串聯(lián)起來，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩(wěn)定輸出電壓的裝置。其電路形式可以是線性放大，也可以是脈寬調制等。這類穩(wěn)壓器帶有反響控制的閉環(huán)系統(tǒng)，所以穩(wěn)定度

29、高，輸出波形好。但因采用慣性較大的磁放大器，故恢復時間較長。又因采用自耦方式，所以抗干擾能力較差。 滑動式交流穩(wěn)壓器：用改變變壓器滑動接點位置，使輸出電壓獲得穩(wěn)定的裝置，即是用伺服電機驅動的自動調壓式交流穩(wěn)壓器。這類穩(wěn)壓器效率高，輸出電壓波形好，對負載性質無特殊要求。但穩(wěn)定度較低，恢復時間較長。 感應式交流穩(wěn)壓器：靠改變變壓器次級電壓相對于初級電壓的相位差，使輸出交流電壓獲得穩(wěn)定的裝置。它在結構上類似線繞式異步電動機，而原理上又類似感應調壓器。它的穩(wěn)壓范圍寬，輸出電壓波形好，功率可做到數(shù)百千瓦。但由于轉子經(jīng)常處于堵轉狀態(tài)，故功耗較大，效率低。另因銅、鐵用料多，故較少生產(chǎn)。 晶閘管交流穩(wěn)壓器：用

30、晶閘管作功率調整元件的交流穩(wěn)壓器。它具有穩(wěn)定度高、反響快、無噪聲等優(yōu)點。但因對市電波形有損害，對通信設備和電子設備造成干擾。 隨著電源技術的開展,80年代又出現(xiàn)了以下3種新型交流穩(wěn)壓電源：補償式交流穩(wěn)壓器：又稱局部調整式穩(wěn)壓器。利用補償變壓器的附加電壓串接在電源和負載之間,隨著輸入電壓的上下,用斷續(xù)式的交流開關接觸器或晶閘管或用連續(xù)式的伺服電動機來改變附加電壓的大小或極性，把輸入電壓高出局部(或缺乏局部)減去(或加上)，從而到達穩(wěn)壓目的。補償變壓器容量僅為輸出功率的1/7左右,具有結構簡單、造價低廉的優(yōu)點，但穩(wěn)定度不高。數(shù)控式交流穩(wěn)壓器和步進式穩(wěn)壓器：由邏輯元件或微處理機構成控制電路，按輸入電

31、壓上下轉換變壓器初級匝數(shù)，使輸出電壓獲得穩(wěn)定。凈化式交流穩(wěn)壓器：由于具有良好的隔離作用，能消除來自電網(wǎng)的尖峰干擾而得到應用。2 穩(wěn)壓電源總體設計方案2.1 設計概述目前對直流小功率恒流方法的研究較多,而對交流恒流方法的研究較少。交流穩(wěn)流主要采用如下方法:(1)用具有反響系統(tǒng)的可控硅調相電路來實現(xiàn)穩(wěn)流,但因為是調整截止角,將使正弦波嚴重畸變。(2)采用反響系統(tǒng)控制伺服電機,調節(jié)自耦調壓器組成的電路來實現(xiàn)穩(wěn)流,但由于電機和傳動系統(tǒng)的機械慣性調整速度較慢且易產(chǎn)生振蕩,難于實現(xiàn)穩(wěn)定的調節(jié)。(3)以鐵磁元件為調整元件(磁放大器)的穩(wěn)流線路,它的缺乏之處是:因為磁慣性大響應時間較長;磁系統(tǒng)會產(chǎn)生嚴重的波形

32、畸變;系統(tǒng)的功率因數(shù)低2.2 研究內容 課題應能設計出一種以電子開關為執(zhí)行機構來控制多組變壓器疊加的主回路補償工作方式并和可控硅無級調節(jié)補償繞組串聯(lián)的一種最新穎的交流穩(wěn)壓電源，它具有穩(wěn)壓精度高、效率高、響應快、帶負載能力強、電源波形失真小、無機械傳動裝置和碳刷磨損、免維護、工作可靠、噪音低、抗干擾能力強、并具有延時、過壓、欠壓保護功能。2.3 技術指標輸入穩(wěn)壓范圍：單相187V253V頻率50Hz±2Hz輸出電壓220V±1%源電壓效應 ±1%負載效應±1%波形失真 5%附加輸出功率 5kw效率 90%滿載欠過壓保護 Vo186V或V

33、o254V2.4 交流穩(wěn)壓電源的總體方案設計2.4.1 單相交流穩(wěn)壓電源的根本原理圖2.1為補償式交流穩(wěn)壓器電路原理結構框圖。圖中，由補償變壓器等組成補償單元，用雙向可控硅作開關器件組成無觸點可控調節(jié)單元，控制電路由A/D轉換(采樣)、單片機控制器、報警指示單元及保護單元組成。 當輸入電壓Ui波動或負載電流變化時，通過采樣變壓器獲取反響電壓，經(jīng)A/D轉換輸入單片機與基準值進行比擬，由微機程序軟件進行判斷處理，輸出控制指令。在電壓過零同步脈沖的作用下，使相應的開關器件導通，切換對應的補償變壓器的組合繞組，改變補償電壓的值，從而快速地到達穩(wěn)定輸出電壓Uo的目的。當Ui<Uon，時(Uon為額

34、定電壓220V )，Ui提供正補償;當Ui>Uon時，Ui提供負補償: 當Ui=Uon時,Ui不提供補償電壓。所以，一旦電網(wǎng)輸入電壓Ui偏離額定電壓Uon時，單片機控制單元便調節(jié)雙向可控硅的開關狀態(tài)，來控制補償變壓器TRi (i=1,2,3,4)的Ui的補償方式。2.4.2 交流調整電路補償變壓器的選擇 根據(jù)穩(wěn)壓精度及輸入電壓范圍的要求來選擇補償變壓器的臺數(shù)，本文選擇4臺。圖2.2給出了交流調整電路中的交流調整電路。圖中，TR1 , TR2, TR3，TR4是四個獨立的補償變壓器，其初級繞組上輸入電壓為Uon( 220V )，其次級繞組上的補償電壓可以根據(jù)穩(wěn)壓精度的需要，設計為2.2V,

35、 4.4V, 8.8V，17.6。當順極性(或反極性)疊加全部投入時，可以獲得最大正負補償電壓為33V。當Us最小值為2.2V時，穩(wěn)壓精度可優(yōu)于1%。根據(jù)補償變壓器的一次側電壓和二次側電壓，結合整個電源的輸出功率，就可確定各個補償變壓器的功率。本文輸出功率為5KW，那么所有的補償變壓器輸出功率都選為略大于5KW，可以選擇6KW。(1)補償變壓器TR1:其一次側電壓為220V，二次側電壓為2.2V;那么其輸出功率為:Pb1=(2.2v/220v)*6kW=60W(2)補償變壓器TR2: 其一次側電壓為220V，二次側電壓為4.4V;那么其輸出功率為:Pb2=(4.4v/220v)*6kW=120

36、W(3)補償變壓器TR3: 其一次側電壓為220V，二次側電壓為8.8V;那么其輸出功率為:Pb3=(8.8v/220v)*6kVA=240VA圖2.2 交流調整電路(4)補償變壓器TR4: 其一次側電壓為220V，二次側電壓為17.6V;那么其輸出功率為:Pb3=(17.6v/220v)*6kw=480W因此，四臺補償變壓器的輸出功率依次為:60W,120W,240W，480W。2.4.3 雙向可控制硅的選用交流調整電路中，所用開關器件的數(shù)目與補償變壓器的數(shù)目有關。其規(guī)律是: 開關器件的數(shù)目=補償變壓器的臺數(shù)*2+2其中后面的+2，即公用橋臂上的兩只開關器樣，它與補償變壓器的臺數(shù)無關。如圖2

37、.3所示，只需要10個雙向可控硅。S1和S2 ，S3和S4，S5和S6，S7和S8，分別為四臺補償變壓器初級繞組端的控制開關，S9和S10那么是作為公共橋臂進行工作。整個交流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，因為接入補償變壓器的不同,流經(jīng)每組可控硅的最大電流隨之不同。具體情況如下:Po=Uo*Io Io=Po/Uo=5KW/220V次級， I1=Io*2.2/220初級，如圖：圖2.3 初級繞組端的控制電路(1) S1和S2:只接入補償變壓器TR1，其補償電壓為2.2V，那么Imax=(2.2V/220V)*(5kVA/220V)=0.227A(2) S3和S4:只接入補償變壓器TR2，其補償電壓為4.4V，那么

38、Imax=(4.4V/220V)*(5kVA/220V)=A(3) S5和S6:只接入補償變壓器TR3，其補償電壓為8.8V，那么Imax=(8.8V/220V)*(5kVA/220V)=A(4) S7和S8只接入補償變壓器TR4，其補償電壓為17.6V，那么Imax=(17.6V/220V)*(5kVA/220V)=16A(5) S9和S10接入補償變壓器TR1，TR2，TR3，TR4，其補償電壓為33V，那么Imax=(33V/220V)*(5kVA/220V)=A四組可控硅的接入電壓都是220V 。 按照器件參數(shù)的選擇規(guī)律,耐壓值一般為工作值的4倍左右,電流值一般為工作值的3-4倍，那么

39、，四組可控硅的選用如下:(1) S1和S2,S3和S4 ,S5和S6，S7和S8，S9和S10全部選用耐壓1000V、電流16A的器件。(2) RC主要用于吸收尖峰脈沖，在選擇時可取RC<T/100=0.2ms，R可以選擇參數(shù)20，C可以選擇10uf。2.4.4 雙向可控硅導通模式與對應的補償電壓 每組里的兩個雙向可控硅，任何時間，都必須有一個處于導通狀態(tài)。規(guī)定值時晶閘管作為開關將補償變壓器初級回路接通，即改變通斷狀態(tài)來調節(jié)補償電壓Ub1，以保持輸出電壓Uo在設定范圍內。在晶閘管導通時，流過補償變壓器一次線圈W1的勵磁電流Io產(chǎn)生勵磁磁勢IoW1，并在二次線圈W2產(chǎn)生感應電勢作為補償電壓

40、。晶閘管關斷時，補償變壓器無勵磁磁勢，因而補償電壓為零。 當穩(wěn)壓器有負載時，IL不等于0，該負載電流在補償變壓器上產(chǎn)生負載磁勢ILW2在晶閘管導通時，補償變壓器一次邊電流為I1，一次邊磁勢為I1W1。由磁勢平衡方程，得I1W1+I2W2=IoW1。 本文通過采取在每臺補償變壓器的一次側加裝電阻R和電容C的方法，圖中的R1,R2，R3，R4，C1,C2, C3，C4較好地解決了這個問題。R可以選擇參數(shù)20，C可以選擇10uf。 在主電路中，每一級補償電路中，必須得保持同一組中兩個可控硅有一個處于導通狀態(tài)。當需要提供正向補償電壓時，四個補償變壓器有15種組合;見表一圖2.4 補償電路2.4.5 雙

41、向可控硅短路報警 為應對雙向可控硅短路的情況，本文專門進行了報警電路的設計，如圖2.5所示。圖中，四組可控硅分別接入保險絲F1, F2, F3和F4 以第一組可控硅S1和S2為例，正常工作時，F(xiàn)l兩端電壓為零，繼電器Jl不吸合，電路不報警。當出現(xiàn)可控硅短路時，F(xiàn)1熔斷，真兩端電壓不為零，J1吸合，電路報警，蜂鳴器開始呼叫。五組可控硅，只要有一組出現(xiàn)短路故障，電路就開始報警。圖可控硅短路報警電路圖 表一 補償電壓的多種補償狀態(tài) 組合 可控硅狀態(tài) 補償電壓V 1 S1,3,5,7,9斷開或S2,4,6,8,10斷開 0 2 S1,4,6,8,10導通其余斷開 3 S2,3,6,8,10導通其余斷開

42、 4 S1,3,6,8,10導通其余斷開 5 S2,4,5,8,10導通其余斷開 6 S1,4,5,8,10導通其余斷開 -11 7 S2,3,5,8,10導通其余斷開 8 S1,3,5,8,10導通其余斷開 9 S2,4,6,7,10導通其余斷開 10 S1,4,6,7,10導通其余斷開 11 S2,3,6,7,10導通其余斷開 -22 12 S1,3,6,7,10導通其余斷開 13 S2,4,5,7,10導通其余斷開 14 S1,4,5,7,10導通其余斷開 15 S2,3,5,7,10導通其余斷開 16 S1,3,5,7,10導通其余斷開 -33 17 S1,4,6,8,10斷開其余導通

43、 18 S2,3,6,8,10斷開其余導通 19 S1,3,6,8,10斷開其余導通 20 S2,4,5,8,10斷開其余導通 21 S1,4,5,8,10斷開其余導通 11 22 S2,3,5,8,10斷開其余導通 23 S1,3,5,8,10斷開其余導通 24 S2,4,6,7,10斷開其余導通 25 S1,4,6,7,10斷開其余導通 26 S2,3,6,7,10斷開其余導通 22 27 S1,3,6,7,10斷開其余導通 28 S2,4,5,7,10斷開其余導通 29 S1,4,5,7,10斷開其余導通 30 S2,3,5,7,10斷開其余導通 31 S1,3,5,7,10斷開其余導通

44、 333 穩(wěn)壓電源硬件系統(tǒng)設計3.1 硬件系統(tǒng)的整體框架3.1.1 主回路 主回路電路，如圖3.1所示。根據(jù)穩(wěn)壓精度及輸入電壓范圍的要求，本文選擇四臺補償變壓器TR1 ，TR2 ，TR3，TR4。圖中，是四個獨立的補償變壓器，其次級繞組上的補償電壓Ubi可以設計為2.2V，4.4V，8.8V，17.6V，。當順極性(或反極性)疊加全部投入時，可以獲得最大正負補償電壓為33V。當Us最小值為2.2V時，穩(wěn)壓精度可優(yōu)于1%。S1-S10為雙向可控硅，它與補償變壓器TR1 , TR1 , TR3, TR4組成“多全橋電路形式圖中S9和S10為公用橋臂，它分別與S1和S2 , S3和S4 , S5和S

45、6, S7和S8組成三個全橋電路。 主回路3.1.2 控制電路 該穩(wěn)壓器控制電路的硬件組成與工作原理見圖3.2，它由8051單片機系統(tǒng)、外擴檢測、驅動等接口電路構成。 輸入幾電壓變化經(jīng)AC/DC變換電路，轉換成0-5V的直流信號，后經(jīng)模數(shù)轉換器ADC0809輸入8051單片機，由CPU檢測穩(wěn)壓電源輸入值。雙向可控硅由光隔離/光禍合過零觸發(fā)雙向可控硅驅動器MOC3061驅動。 控制電路原理3.2 雙向可控硅觸發(fā)電路3.2.1 MOC3061 電壓過零型光電耦合器，是由一只砷化稼紅外發(fā)光二極管和帶有集成化過零檢測電路的硅光檢測器組成，它們被一種能透射紅外線的耐高壓介質隔離并共同封閉在一個芯片中。典

46、型的此類器件如美國MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3041-3081系列芯片。由于采用了可靠的封閉形式且芯片內部的介質能在邏輯控制電路和負載電路之間提供高達數(shù)千伏的隔離沖擊電壓，因而使這類器件具有體積小，壽命長、抗電磁干擾和機械振動能力強以及輸入輸出完全隔離等優(yōu)點。 MOC3061光電耦合器的額定電壓是600v，最大重復浪涌電流為1A，最大電壓上升率du/dt為1000V/us以上，一般可到達2000V/us，輸入輸出隔離電壓大于7500V,輸入控制電流為15mA。3.2.2 觸發(fā)電路雙向可控硅的觸發(fā)電路，如圖3.3所示： 當雙向可控硅Si的控制信號輸出低電平時，MOC3061的輸入端就有約為

47、5-15mA的電流輸入，在MOC3061的輸出端6腳和4腳之間的電壓稍過零時，內部的雙向晶閘管就導通，觸發(fā)外部的雙向晶問管Si導通。當輸出為高電平時，雙向晶管S，關斷。MOC3061在輸出關斷的狀態(tài)下，也會有小于或等于500A的電流，在觸發(fā)電路中，接入電阻R3可以消除這個電流對外部晶閘管的影響。電阻R1是MOC3061的限流電阻，用于限制流經(jīng)MOC3061輸出端的電流最大值不超過1A。MOC3601的過零檢測的電壓值為20V，但是限流電阻不能只取20歐。因為在電感性負載系統(tǒng)中，R1的值需要增大。一般情況下，R1的取值在27-330。之間。本文電路中，取為47。需要注意的是，R1在取值較大時，會

48、對最小觸發(fā)電壓產(chǎn)生影響。這是因為，MOC3061的最小觸發(fā)電壓的計算公式為:其中:IR3流經(jīng)R3的電流; IGT晶閘管KS的門極觸發(fā)電流; UGT晶閘管KS的門極觸發(fā)電壓: UTMMOC3061輸出晶閘管的導通壓降，一般取為3V。與雙向晶閘管S1并聯(lián)的RC回路，就是用于降低雙向晶閘管所受的沖擊電壓，從而保護S1及MOC3061。圖 雙向可控硅觸發(fā)電路 在可控硅的觸發(fā)電路中，必須對加在晶閘管上的正向電壓上升率dv/dt應有所限制。晶閘管有一個重要特性參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt。它說明晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉入通態(tài)的最低電壓上升率。假設電壓上升率過大，超過了晶閘管的

49、電壓上升率的值，那么會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況。因為晶閘管可以看作是由三個PN結組成。 在晶閘管處于阻斷狀態(tài)下，因各層相距很近，其J2結結面相當于一個電容Co。當晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電流流過電容Co，并通過J3結，這個電流起了門極觸發(fā)電流作用。如果晶閘管在關斷時，陽極電壓上升速度太快，那么C。的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號的情況下，晶閘管誤導通現(xiàn)象，即常說的硬開通，這是不允許的。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應有一定的限制。 為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管平安運行，需在晶閘管兩端并聯(lián)R

50、C阻容吸收網(wǎng)絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的(變壓器漏感或負載電感)，所以對電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R, L, C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時，防止電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。與雙向晶閘管S并聯(lián)的RC回路，就是用于降低雙向晶閘管所受的沖擊電壓，從而保護S，及MOC3061。 同時，也必須對晶閘管上的電流上升率di/dt進行抑制。因為，晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極外表較小的區(qū)域，局部電流密度很大，然后以0.1 mm/ s的擴展速度將電流擴展到整個陰極面。假設晶閘管開通

51、時電流上升率di/dt過大，會導致PN結擊穿，必須限制晶閘管的電流上升率，使其在適宜的范圍內。其有效方法是在晶閘管的陽極回路串聯(lián)入電感。 由于上述可控硅觸發(fā)電路，能夠依靠光電禍合器自動實現(xiàn)了觸發(fā)電路與系統(tǒng)電壓的同步:同時，它以集成芯片替代了由分立元件組成的功放、驅動以及脈沖變壓器等環(huán)節(jié)，并在控制電路與主電路間實現(xiàn)了完全的光電隔離，因而具有結構簡捷、可靠性高和價格低廉的特點。3.3 保護電路3.3.1 保護電路原理 保護電路原理，如圖3.4所示。圖中，IC1是過壓保護比擬放大電路，IC2是久壓比擬放大電路，T與HA, J, LED是共用的驅動執(zhí)行電路。交流輸入電壓在額定范圍之內時，T不動作。 當

52、輸入電壓高于過壓保護設定值時，取樣電壓高于基準電壓，它接至IC1的同相輸入端與接在反相輸入端的基準電壓進行比擬放大后，IC1輸出為正電平，使T導通，J吸合，其動斷觸頭斷開而切斷輸出。一旦輸出電壓低于過壓保護設定值時，取樣電莊低于基準電壓，IC1輸出為零電平，T截止，J釋放，其動斷觸頭復原，從而使電源恢復正常的輸出。 輸入電壓UI經(jīng)變壓器TC的N22繞組，D1-D4整流，由電位器RP1設定輸入電壓的上限值，對應的電平送至比擬器IC1的同相端;由R5,R6給IC1的反相端設定基準電壓。當輸入電壓UI經(jīng)RP1形成的反響電壓高于基準電壓時，IC1輸出正電壓擴晶體管T導通，繼電器J吸合，斷開輸出電路。這

53、時，二極管LED(紅色)發(fā)光報警，同時，蜂鳴器HA發(fā)出聲音。這時輸出電壓為零，從而防止用電設備因過壓而攝壞。由R7與Dz構成的二次穩(wěn)壓電路，作為基準電源。Dz選用DW231，它是帶盤度補償型的精密穩(wěn)壓二極管，主要技術參數(shù)為*動態(tài)電阻Rz<l0,電壓溫度系數(shù)Ctv< 5*1000000/，穩(wěn)定電壓值Uz =6V，最大穩(wěn)定電流Izm=O.03A,穩(wěn)定工作電流Iw=O.O1A。欠壓保護電路的工作原理與過壓保護相同，只是取樣電壓接至IC2的反相輸入端，基準電壓接至同相輸入端，以到達輸出電壓低于欠壓保護設定值時，使IC2輸出為正電平，使T導通，J吸合，切斷輸出電壓，從而到達欠壓保護的目的。過,欠壓保護電路的比擬放大器分別由LM324中的單個運放構成?？刂朴美^電器J用JTX型，線圈工作電壓12V，線圈電阻150，觸頭負載3*5A,本文將三組觸頭并聯(lián)使用。T選擇3D325,二極管D為T的保護二極管，選用ZCK型小功率開關二極管，其反何擊穿電壓大于2倍工作電壓。圖3.4 保護電路3.4 輔助直流穩(wěn)壓電源設計3.4.1 +5V直流穩(wěn)壓電源 圖3.5所示電路為+5伏輸出的直