- 開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器的原理分析
- 開關(guān)互補電路的設(shè)計
- 利用微處理器進行智能控制和監(jiān)控管理
1 引言
近年來，在國內(nèi)電源學(xué)術(shù)界，交流穩(wěn)壓器的研究內(nèi)容主要分為兩類，一類是開關(guān)互補式，另一類就是逆變補償式。開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器就是以自耦變壓器----繼電器抽頭式穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)，將電力電子開關(guān)與傳統(tǒng)的繼電器觸點相結(jié)合，為電能的傳遞增加一個預(yù)設(shè)的電子通路，以便減少電流切換時產(chǎn)生的沖擊和干擾，因為這種沖擊往往會損壞機械開關(guān)、電子器件，甚至用電設(shè)備；逆變補償式交流穩(wěn)壓器，是以補償型交流穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)，從輸入側(cè)取得交流電壓，經(jīng)過整流、高頻SPWM逆變、相位跟蹤和轉(zhuǎn)換產(chǎn)生幅值、相位、頻率均可變的交流補償電壓進行穩(wěn)壓，補償是無極的，補償精度高，響應(yīng)速度快。
目前，這兩類穩(wěn)壓器的技術(shù)都不是很成熟，還沒有人對此進行系統(tǒng)的闡述、分析和具體的設(shè)計。本文針對開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器,提出它的原理和設(shè)計方法，并按此方法研制出一臺10KVA的開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器，以期達到跟蹤前沿技術(shù)，為進一步開發(fā)系列開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器做好準(zhǔn)備。
2 開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓電源工作原理
2.1 整機組成
本穩(wěn)壓器由補償變壓器組合單元、繼電器單元、開關(guān)互補電路、控制電路、過欠壓以及過流保護及故障告警電路、輔助電源等部分組成，整機框圖如下：
2.1.1 穩(wěn)壓部分的設(shè)計
穩(wěn)壓部分可采用的形式有參數(shù)調(diào)整（諧振）型、自耦（變比）調(diào)整型、大功率補償型、開關(guān)型。在這里，我們采用的是大功率補償型作為穩(wěn)壓部分的主電路，利用繼電器改變自耦變壓器抽頭的方法，來給補償變壓器提供初級電壓。其中，互補開關(guān)組合陣列采用的是繼電器并聯(lián)式接法。
2.1.2 開關(guān)互補電路的設(shè)計
關(guān)互補電路實際上是繼電器的一個旁通電子開關(guān)，采用兩只IGBT、兩只二極管構(gòu)成的交流通路，是互補式交流穩(wěn)壓器的主要技術(shù)點,電路如圖3:
圖3
1、通過合理的布線，盡量減小引線電感，以減小IGBT的關(guān)斷振蕩和損耗；
2、每一組互補電路要用專用的輔助電源驅(qū)動（典型值是+15V，-5V），既防止因共地而引起的干擾，最主要的是防止了因PN結(jié)導(dǎo)通而引起的短路；
3、IGBT的柵極驅(qū)動采用電壓跟隨器的設(shè)計方式，同時增加RCD吸收電路，精選其電容、電阻參量，從而有效抑制了脈沖結(jié)束時IGBT的反向電壓；
4、對IGBT的額定電壓、電流參數(shù)，選取時除按理論計算外，還要考慮適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗系數(shù)，使IGBT具有更大的安全工作區(qū)域；
5、雖然IGBT的導(dǎo)通時間極短，在正常工作時，熱量在還沒有傳出殼外時，IGBT就已關(guān)斷，但仍須加一定功率的散熱器，目的是使IGBT工作時，其管芯溫度在允許結(jié)溫以下，從而確保IGBT不會因控制電路設(shè)計不當(dāng)造成的損壞。
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2.1.3 功率補償單元
該補償單元由繼電器及其相應(yīng)的開關(guān)互補電路組成，采用并聯(lián)的方式連接而成。具體電路如圖4-1：
圖4-1
圖4-2
圖4-2為功率補嘗單元中的繼電器與其對應(yīng)的開關(guān)互補電路的工作波形和工作時序關(guān)系，從中我們可以知道，開關(guān)互補電路是在繼電器動作之前先導(dǎo)通，在繼電器完成動作后再關(guān)斷，這是開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓電源成功的關(guān)鍵所在。
2.2 功率補償單元的工作原理
為方便闡述，我們把功率補償單元拆分為繼電器J0、J1、J2、J3、J4、J5及其對應(yīng)的開關(guān)互補電路S0、S1、S2、S3、S4、S5。考慮到電網(wǎng)變化的隨機和無序性，設(shè)計時采用頂層設(shè)計、整體考慮的方法，來確定功率補償單元的工作時序。值得特別強調(diào)的是，開關(guān)互補電路須采取先開后關(guān)的方式工作，即在繼電器動作（包括吸合和斷開）之前，先讓開關(guān)互補電路工作，待繼電器工作穩(wěn)定后，再斷開關(guān)互補電路，這是控制的關(guān)鍵所在，否則開關(guān)補式交流穩(wěn)壓器將失去意義。為及時判斷繼電器的切換狀態(tài)，特設(shè)計了雙光耦補償型電路，實現(xiàn)信號的鎖定，以便于單片機的正確判定。表1給出了功率補償單元在不同輸入電壓值時的工作時序。
表1
2.3 軟件的設(shè)計在系統(tǒng)中，單片機擔(dān)負著對輸入電壓的實時檢測和處理，控制功率補償單元的工作，對整機提供各種保護、告警和狀態(tài)指示。
系統(tǒng)接通市電，合上電源開關(guān)后，單片機進行初始化，延時2秒后，進行輸入電壓檢測，若輸入電壓在允許范圍內(nèi)，則根據(jù)電壓值進行相應(yīng)的電壓補償，否則補償電路不進行任何動作，但要相應(yīng)的聲光告警；電壓調(diào)整完畢達到輸出標(biāo)準(zhǔn)后，自動合上輸出交流接觸器，系統(tǒng)正常輸出。此時，單片機對輸出電壓進行過壓檢測，一旦輸出電壓過高，則切斷輸出，以防輸出電壓過高而影響負載工作，在電壓恢復(fù)正常后，自動合閘，輸出電壓。單片機還對輸入電壓進行實時檢測，只要市電發(fā)生變化，就進入相應(yīng)的電壓補償子程序，對補償電壓進行調(diào)整。其流程圖見圖5。
圖5
3 實作結(jié)果
當(dāng)輸入交流電壓幅值發(fā)生相同的變化時，比較圖6所示的兩種穩(wěn)壓器輸出電壓波形可發(fā)現(xiàn)，有互補電路與沒加互補電路的電源輸出電壓波形，存在很大的差異：在A圖中，沒有互補電路的電源輸出電壓波形，有一明顯缺口，這是輸出電壓波形失真度大、整機電磁干擾強、不能提高功率因數(shù)的根本原因所在；而在B圖中，這一缺點得到明顯的改善，輸出電壓波形變得平滑，體現(xiàn)出了互補式交流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點。
A無關(guān)互補電源輸出電壓波形
B互補電路電源輸出電壓波形
圖6
其達到的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
1）、交流輸入電壓
220V-30%~220V+20%、50Hz（單相）
2）、額定輸入電流45A
3）、額定輸出功率10KVA
4）、額定輸出電壓220V±5%、50Hz
5）、響應(yīng)時間≤50ms
6）、正弦波失真度≤1.0%
7）、整機效率≥98%
8）、功率因數(shù)>0.95
4 結(jié)束語
本電源的研制成功，是在現(xiàn)代電力電子技術(shù)與電力傳動技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，利用微處理器進行智能控制和監(jiān)控管理，研制開發(fā)的一種新型高性能價格比的交流穩(wěn)壓器，具有智能化、輕量化、高可靠性的特點。實踐證明，開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器的以上優(yōu)點以及它的低成本、高質(zhì)量的供電效果，必將使該種穩(wěn)壓器具有廣闊的應(yīng)用前景。
