呂偉鵬

（鹽城師范學(xué)院 江蘇 鹽城 224002）

目前，我國(guó)某些地區(qū)電網(wǎng)供電質(zhì)量比較差，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大[1]。電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)敏感性負(fù)載，如計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備和過程控制系統(tǒng)等影響很大，有可能導(dǎo)致這些系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)丟失、通信中斷和生產(chǎn)周期加長(zhǎng)等嚴(yán)重后果。因此，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓使得用電設(shè)備處于理想工作狀態(tài)，從而獲得最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是非常重要的[2]。

市場(chǎng)上的開關(guān)型交流調(diào)壓器產(chǎn)品一般采用相控交流/交流變換器加隔離升壓變壓器結(jié)構(gòu)。由于采用了各周期相控技術(shù)，其響應(yīng)時(shí)間可以小于一個(gè)電網(wǎng)電壓周期。但其輸出電壓和電流的諧波含量較高，需要較大容量的濾波環(huán)節(jié)，并且輸入功率因數(shù)較低。

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，數(shù)字式交流調(diào)壓控制技術(shù)是一種新型高性能交流調(diào)壓技術(shù)[3]。國(guó)內(nèi)目前的晶閘管調(diào)壓器中觸發(fā)脈沖電路大部分為模擬電路元件形式，易受電網(wǎng)電壓影響，達(dá)不到理想的控制效果，且不具有調(diào)功功能，無法實(shí)時(shí)檢測(cè)電路的工作電壓、電流值[4]。數(shù)字式交流調(diào)壓器相對(duì)于模擬相控式交流調(diào)壓器具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量低、功率因數(shù)高、諧波頻率高、容易濾波和對(duì)電網(wǎng)造成的污染小等優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)交流調(diào)壓器工作原理及控制方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，主要包括電壓、電流過零點(diǎn)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、電壓參考電路的設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)輸出電路的設(shè)計(jì)、輸出濾波器設(shè)計(jì)。該電路的研究與開發(fā)得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注。

1 數(shù)字式交流調(diào)壓器原理

電力電子類交流調(diào)壓器常見的控制方式分為相位控制和斬波控制，交流斬波控制的原理如圖1（a）所示。SW1為主開關(guān)，SW2為續(xù)流開關(guān)。它是以比輸入電源高得多的頻率周期性使電路中的功率器件導(dǎo)通和關(guān)斷，通過改變開關(guān)周期中功率器件導(dǎo)通的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小[5]。理想工作狀態(tài)下，斬波工作的工作波形如圖1（b）所示，其中Tx為斬波周期，TON為功率器件在一個(gè)周期中的導(dǎo)通時(shí)間。

圖1 交流調(diào)壓控制原理Fig.1 Principle of AC voltage controller

數(shù)字式交流調(diào)壓是連續(xù)調(diào)節(jié)方式，其輸入電流、輸出電壓的諧波及其對(duì)電網(wǎng)和升壓變壓器的影響較相控式小得多[6]。開關(guān)頻率足夠高時(shí)，只要引入極小尺寸的輸入、輸出濾波器，可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全濾除，電源側(cè)的功率因數(shù)總是與負(fù)載側(cè)相同。因此，采用數(shù)字式交流調(diào)壓電路可使裝置體積減小，功率因數(shù)提高，而且數(shù)字式交流調(diào)壓可大大改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

2 控制電路的構(gòu)成及其工作原理

整個(gè)調(diào)壓器系統(tǒng)使用單片機(jī)控制。Dspic30f6014a單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，管理整個(gè)系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of the system

觸發(fā)電路采用了APA3311繼電器輸出，配合電流、電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路，在Dspic30f6014a單片機(jī)的控制下產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)觸發(fā)晶閘管的開關(guān)。

同步電源經(jīng)過一個(gè)比較器LM339轉(zhuǎn)換成同相的方波送入控制芯片進(jìn)行過零檢測(cè)，并以此產(chǎn)生的信號(hào)作為觸發(fā)脈沖電路的同步信號(hào)。控制芯片產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖通過光耦隔離、放大，由繼電器輸出加到晶閘管的門極（G）和陰極（K）。電壓給定信號(hào)Uref與電壓反饋信號(hào)Uf由Dspic30f6014a自帶的12位A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)給定信號(hào)的大小（開環(huán)工作模式）或PID的輸出量（恒流、恒壓、恒功率工作模式）通過計(jì)算得到SCR的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路的調(diào)壓。

3 電壓、電流過零檢測(cè)電路

電壓、電流過零檢測(cè)電路通過電壓比較器對(duì)輸出電壓過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過輸入捕捉模塊把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，送單片機(jī)中斷，從而確定SCR的開關(guān)狀態(tài)。在文中采用LM3ll電壓比較器來實(shí)現(xiàn)電壓、電流的過零點(diǎn)檢測(cè)。

3.1 電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路

電壓比較器（voltage comparator）LM311于其它電壓比較器有較小的輸入電流，是LM106、LM710的大約千分之一。它有較寬的工作電壓范圍，從標(biāo)準(zhǔn)的±15 VDC供電到單電源十3 V供電，其輸出兼容RTL、DTL和TTL以及MOS電路。

輸出電壓通過降壓變壓器后得到一個(gè)50 Hz的交流信號(hào)ZVC，電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路圖如圖3所示。

圖3 電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路Fig.3 Circuit of voltage zero-crossing detection

文中選用的降壓變壓器為220 V：12 V，變壓器輸出電壓ZVC經(jīng)過由R17和C12組成的RC低通濾波器接到電壓比較器U1的正向輸入端。－15 V通過R18、R20分壓得到兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)點(diǎn)壓，由于RC低通濾波器產(chǎn)生的微小相位偏移。其中 R18為 50 MΩ。 ，R20為 50 Ω，R18＞＞R20所以 U1的 3腳和U2的2腳約等于0。R21、C30組成輸出RC低通濾波器，R22為上拉電阻。

3.2 電流過零點(diǎn)檢測(cè)電路

文中使用TA17－12精密電流互感器對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，TA17系列電流互感器采用優(yōu)質(zhì)坡膜合鐵芯，進(jìn)口環(huán)型繞線機(jī)繞制使線性度優(yōu)于1‰，典型應(yīng)用電路如圖4所示。

圖4 電流互感器典型應(yīng)用圖Fig.4 Circuit of current zero-crossing detection

輸入電流時(shí)，次級(jí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與變比相應(yīng)的輸出電流，在輸出端并接電阻得到取樣電壓，取樣電阻應(yīng)小于100 Ω，再通過運(yùn)算放大電路將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)放大。電流過零點(diǎn)檢測(cè)與電壓過零點(diǎn)檢測(cè)工作原理相同。

3.3 電壓參考電路設(shè)計(jì)

電壓參考電路如圖5所示，電壓參考電路是將輸入的3.3 V電壓經(jīng)過兩級(jí)運(yùn)放變成1.5 V的電壓。圖中運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M124，運(yùn)算放大器的電源電壓為±15 V。

第一級(jí)運(yùn)放輸出電壓為

第二級(jí)運(yùn)放輸出電壓為

式中U=3.3 V，經(jīng)計(jì)算輸出電壓Uref=1.5 V。

圖5 電壓參考電路Fig.5 Circuit of voltage reference

4 繼電保護(hù)輸出電路設(shè)計(jì)

晶閘管具有一定的過載能力。調(diào)壓器所采用的晶閘管正常工作電流為4 A，提供過載電流為6 A，時(shí)間為10 s。可見，對(duì)于晶閘管調(diào)壓器應(yīng)設(shè)置保護(hù)。文中使用APA3311繼電器作為繼電保護(hù)輸出電路。

晶閘管繼電保護(hù)原理框圖如圖6所示。電壓形成回路是從勵(lì)磁回路中取出電流信號(hào)，一般采用串電阻方法，其阻值取回路電阻的1%左右，通過強(qiáng)勵(lì)電流約為2.1 V，通過正常工作電流2 A時(shí)，電壓降為0.7 V。這個(gè)電壓信號(hào)直接加到監(jiān)幅器上，其起動(dòng)值為2 V。一旦監(jiān)幅器動(dòng)作，使時(shí)限電路工作，其延時(shí)時(shí)間整定為3 s。當(dāng)延時(shí)時(shí)間到，使執(zhí)行開關(guān)管導(dǎo)通，把調(diào)壓器的晶閘管的觸發(fā)脈沖短接，從而晶閘管失去觸發(fā)脈沖而關(guān)斷。

圖6 繼電保護(hù)輸出電路框圖Fig.6 Diagram of relay output circuit

為了保護(hù)電路工作可靠，該電路還采用了延時(shí)恢復(fù)特性。

5 輸出濾波器設(shè)計(jì)

數(shù)字式交流調(diào)壓器的輸入、輸出電壓中含有高次諧波，這些高次諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大的諧波污染，同時(shí)高次諧波可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾導(dǎo)致周圍的一些電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)類敏感負(fù)載、通訊系統(tǒng)等不能正常工作。因此濾波器的設(shè)置和設(shè)計(jì)具有重要的意義。

輸出電壓所包含的頻率成分與電子開關(guān)頻率fm和輸入電壓頻率fm有關(guān)，在nfs的左右成對(duì)出現(xiàn)，每一對(duì)諧波成分幅值相等。對(duì)于用于工頻的斬控式交流調(diào)壓器，wm即工頻角頻率（wm=2π×50 Hz），要比 ws低得多，通常關(guān)在 5 kHz以上，這樣諧波成分的頻率比基波成分大得多，這為輸出電壓的濾波創(chuàng)造了有利條件。fs越高諧波頻率就越高，進(jìn)行濾波較容易。而且fs越高諧波頻率就越高，在進(jìn)行低通濾波時(shí)濾波元件的參數(shù)就越小，更容易實(shí)現(xiàn)，輸出濾波器常用LC低通無源二階濾波器。

1）濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

圖7 LC濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of LC filter

若不計(jì)電感線圈的內(nèi)阻及電容器的漏電阻，傳遞函數(shù)為

2）濾波器參數(shù)的確定

①?gòu)南到y(tǒng)對(duì)控制對(duì)象頻率特性的要求選擇濾波器的L，C

在文中，fm=50 Hz，fs=5 kHz，諧波中最低的頻率 fhar（min）=4 950 Hz。為了使濾波器輸出電壓接近正弦波同時(shí)又不會(huì)引起諧振問題，LC濾波器的截止頻率必須要遠(yuǎn)小于輸出電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時(shí)又要遠(yuǎn)大于基波頻率。LC截止頻率選為：

取 fc=10 fm，則 wc=3 140 rad/s，由式可得：

②從濾波電感上的電壓損耗考慮

本系統(tǒng)令濾波電感的壓降為電網(wǎng)電壓的2%～3%。

式中：U=220 V；I=4.5 A；w=2nf=100n。由此計(jì)算電感值為3.1～4.7 mH。

由式（7）得出的電感值可計(jì)算出電容值為21～32 μF。綜上分析電容值選用22 μF/450 V，電感值選用3 mH/30 A。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，文中對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)在純阻性負(fù)載下進(jìn)行了調(diào)試，并記錄了主電路和控制電路中各個(gè)單元的測(cè)試波形結(jié)果并對(duì)其作了分析，通過對(duì)其諧波的分析，測(cè)得諧波含量小于5%。本系統(tǒng)占空比調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.9，輸出穩(wěn)定電壓范圍為20～210 V。

6.1 觸發(fā)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形

主電路交流側(cè)輸入電壓為220 V/50 Hz，負(fù)載阻抗為25 Ω，開關(guān)頻率為5 kHz，輸出電壓和輸出電流同相位，CH1為輸出電壓的波形，CH2為觸發(fā)信號(hào)波形，如圖8所示，其中圖8（a）的占空比為0.33，圖 8（b）的占空比約為 0.8。

圖8 觸發(fā)信號(hào)及輸出電壓Fig.8 The trigger signal and output voltage

6.2 主回路輸出電壓波形

電源輸入電壓為220 V交流電，設(shè)定輸出電壓為110 V時(shí)，主回路輸出電壓波形如圖9（a）所示，其占空比約為0.5。當(dāng)設(shè)定輸出電壓為200 V時(shí)，輸出電壓波形如圖9（b）所示，此時(shí)的占空比約為0.8。

6.3 電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓的波形

文中設(shè)計(jì)的硬件電路在系統(tǒng)啟動(dòng)并穩(wěn)定后電網(wǎng)電壓向上波動(dòng)時(shí)占空比輸出的曲線如圖10（a）所示。由圖10（a）可以看出，當(dāng)在0.55 s時(shí)刻電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，控制器的響應(yīng)時(shí)間僅為半個(gè)工頻周期左右，這就進(jìn)一步證明了文中設(shè)計(jì)的硬件電路具有響應(yīng)速度快和超調(diào)量小等優(yōu)點(diǎn)。圖10（b）為系統(tǒng)啟動(dòng)并穩(wěn)定后電網(wǎng)電壓向下波動(dòng)時(shí)占空比的輸出曲線，這條曲線也同樣證明了本文所設(shè)計(jì)的硬件電路的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 主回路輸出電壓Fig.9 Output voltage of main circuit

圖10 電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)輸出電壓Fig.10 Output voltage when grid voltage fluctuated

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字式交流調(diào)壓器和模擬相控式交流調(diào)壓器相比具有易濾波，輸出電壓、電流好，對(duì)電網(wǎng)諧波污染小和輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，能夠在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的條件下，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

7 結(jié) 論

介紹了數(shù)字式交流調(diào)壓器的基本原理，在對(duì)交流調(diào)壓器工作原理及控制方法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了控制芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，主要包括電壓電流過零點(diǎn)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)、電壓參考電路設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)輸出電路的設(shè)計(jì)、輸出濾波器設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明數(shù)字式交流調(diào)壓器相對(duì)于相控式交流調(diào)壓器具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量低、功率因數(shù)高、諧波頻率高、容易濾波和對(duì)電網(wǎng)造成的污染小等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)并穩(wěn)定輸出電壓的目的。

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