雷志勇，朱哲，雷鳴

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安　710032）

交流斬波調壓PWM控制技術研究

雷志勇，朱哲，雷鳴

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安710032）

隨著電力電子技術的發(fā)展，高性能的交流調壓技術得到了廣泛的應用?；诖蠊β孰娖鞯漠a生意味著人們對交流調壓裝置的性能要求也不斷的提高，這就促使交流調壓裝置朝高電壓，超大容量發(fā)展。本研究采用交流斬波電路通過利用復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）控制字設置脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制技術調節(jié)輸出信號的占空比，從而調節(jié)斬波電路的輸出電壓。通過實驗驗證此技術實現了電壓的軟過度的目的，并且不再出現短路，電壓過沖和過電流現象。使用這種方法，從本質上解決了傳統(tǒng)交流斬波電路中的短路，電壓過沖和過電流現象，延長電氣設備壽命2-3倍，最大節(jié)能可達40%。

交流斬波；脈寬調制；軟過度；短路；電壓過沖；過電流

隨著經濟的迅速發(fā)展，電力設備的基礎建設在供電質量上不能滿足需求，電網電壓波動、諧波干擾較大，對電氣設備的影響很大，有可能導致電氣設備的損壞，因此調節(jié)電網電壓對敏感性負載的正常運行很重要。傳統(tǒng)的調壓設備運用的開關器件為普通的晶閘管，但是當調壓設備負載功率增大時，功率因數減小，電流中諧波幅值相對較大，設備體積也會增大，調壓效果并不理想。文中采用的PWM斬波交流穩(wěn)壓可以克服這些缺點。用性能優(yōu)良的全控型開關器件 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶閘管），與相控交流調壓技術相比，斬波調壓的優(yōu)點是功率因數僅取決于負載，本次試驗中可知負載對斬波調壓的效果非常明顯，快速的動態(tài)響應能力、更寬的電壓線性調節(jié)范圍、輸人輸出易于濾波且高度正弦化，可以使調壓的效率更高。

1　PWM交流斬波控制調壓原理

1.1系統(tǒng)原理及設計

交流斬波系統(tǒng)輸出電壓的大小受CPLD芯片發(fā)出的控制字控制，電網電壓的波動比較緩慢，并且對輸出電壓幅值的控制實時性要求不高，但是環(huán)境亮度檢測陣列輸出的信號數據量大，供給負載的電壓受多方面因素影響，所以使用CPLD運算分析輸出電壓的大小，斬波調壓電路中要根據電壓電流的相位，在不同區(qū)域使用不同的斬波控制方法，在相位上的實時性要求比較高，根據CPLD輸入輸出信號延遲小的特點，對斬波電路的控制使用CPLD芯片。交流斬波系統(tǒng)中有電壓傳感器，CPLD采集電壓傳感器輸出的信號，經過A/D變換后獲得電網電壓值。交流斬波系統(tǒng)中的CPLD根據接收到的控制字設置PWM控制脈沖的占空比，然后對斬波電路進行斬波控制，CPLD通過控制輸出信號的占空比調節(jié)斬波電路的輸出電壓，將整個系統(tǒng)供給負載的電壓穩(wěn)定在節(jié)能電壓

1.2交流斬波控制系統(tǒng)設計與原理

系統(tǒng)采用霍爾傳感器分別采集電網的交流電壓信號和過流負載的交流電流信號，有著精度高，響應時間短的優(yōu)點。在濾波和相位補償電路中使用運算放大器，并使用耐壓較高的CBB電容濾除交流信號中的諧波干擾，并補償濾波產生的相位移動，輸出精度較高、溫度穩(wěn)定性高的過零信號。調相過零檢測電路使用比較器和CBB電容對交流信號進行相位調節(jié)，以避免交流市電過零點的振蕩。將信號傳送給CPLD；斬波電路和續(xù)流電路使用IGBT進行反向串聯，實現斬波和續(xù)流的功能。控制電路通過CPLD芯片，對采集的電壓、電流過零檢測信號進行處理后，按控制時序輸出PWM控制信號。如圖1所示。

圖1　交流斬波調壓系統(tǒng)框圖

交流斬波調壓是利用PWM控制技術，通過控制斬波電路中的電力電子器件的開通和關斷來控制輸出電壓。開關過程中把連續(xù)的正弦交流電的波形切割成離散的片段，這些離散的片段是一系列寬度相同的脈沖，但是脈沖的頂部的形狀跟隨交流電的變化而變化。PWM控制就是對脈沖寬度進行調制的控制技術，即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要的波形。其波形如圖2所示。

圖2　交流斬波原理圖

如圖2所示，斬波電路的輸入為50 Hz的交流市電，使用高頻脈沖對其進行制得到一系列脈沖寬度恒定，脈沖頂部按正弦規(guī)律變化的脈沖。設調制脈沖序列p（t）的頻率為F。周期T=1/F，占空比為A。對輸出U0進行傅里葉變換。

對p（t）進行傅里葉變換可得，

令ωp=2π/T，設市交流電Ui=Umsinωt

由上面的公式可以知道，經過交流斬波之后的輸出電壓中的基波頻率為50 Hz。基波的幅值等于輸入電壓的幅值乘以斬波控制脈沖的占空比。諧波幅值遠遠小于基波成分。將輸出經過濾波后就可以得到一個50 Hz的交流電壓。根據以上原理，改變斬波控制脈沖的占空比A就可以改變輸出電壓的幅值。

2　PWM硬件電路的設計與分析

斬控式交流調壓變換器以其重量輕，體積小，能耗低，易于控制等特點正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器。眼下的任務是研究利用IGBT（型號為IRG4PH50KD耐壓1200V）器件組成逆變全控橋，并利用IGBT的開通與關斷來控制整個PWM的斬波過程，本文的主電路設計使用單相交流斬波調壓電路，其拓撲結構如圖3所示。

圖3　單相交流斬波調壓電路

圖3中IGBT器件T1和T2反相串聯，每個IGBT反向并聯一個二極管，構成斬波電路；T3和T4反相串聯，并反相并聯一個二極管，構成續(xù)流電路。斬波電路和續(xù)流電路構成了完整的單相交流斬波調壓電路。斬波電路的輸出經過LC濾波網絡向負載供電。其中斬波電路整體可以看做一個可控開關，續(xù)流電路同樣可以看做一個可控開關。

2.1濾波電路和保護電路設計

電力電子器件所在的主電路一般都是大功率電路，本研究中的交流斬波電路連接在220 V城市電網中，將電網電能處理后供給負載。交流斬波電路中du/dt和di/dt相對比較大，很容易出現過電壓和過電流現象。電力電子器件能夠承受一定的斷態(tài)電壓、通態(tài)電流和通態(tài)di/dt，如果這些參數超過了電力電子器件的極限參數，就會導致電力電子器件不可逆轉的損壞。所以設計過壓和過流保護電路是很有必要的。

如圖4所示，電容C為靜電感應過電壓抑制電容，RC為浪涌過電壓抑制電路，RV為壓敏電阻起到過電壓抑制的作用，RCD為關斷過電壓抑制電路。電力電子器件在電路中要頻繁的開通和關斷，在關斷過程中，電路中的電感產生的感應電壓會加在電力電子器件兩端，電壓高于電力電子器件的極間擊穿電壓時就會導致電力電子器件擊穿損壞，因此設計RCD保護電路并聯在電力電子器件兩端，避免過電壓損壞電力電子器件。

圖4　保護電路設計

由前文中的交流斬波原理分析可知，交流斬波電路送出的交流電含有很大成分的諧波，是不能向負載直接供電的，所以要設計濾波電路。電力電子主電路功率比較大，常用的濾波方法為LC濾波電路，這種濾波電路結構簡單，穩(wěn)定性好，能量損耗在理論上為零，所以比較適合大功率的變電電路。LC濾波網絡結構如圖5所示，設濾波網絡的輸入電壓為U1，輸出電壓為U0。

圖5　LC濾波電路

3　CPLD控制程序設計

由CPLD構成的交流斬波控制系統(tǒng)首先需要采集過零檢測電路的信號，經過邏輯運算后進行斬波功能，根據程序產生的占空比變化PWM的控制信號，通過光隔芯片分別傳送給IGBT的控制端，控制斬波過程中IGBT的導通與關斷。文中采用Altera的EPM7128SLI84-10芯片，1 MHz的晶振，使用Quartus ii軟件進行控制部分的設計，程序流程圖如圖6所示。

圖6　控制程序流程圖

STOP_ALL為手動控制信號，CURR為電流過零檢測信號，VOL為電壓過零檢測信號，系統(tǒng)上電后開始判斷STOP_ALL信號，此信號由CPLD芯片外部獲得，來啟動或者暫停程序運行。啟動后，計數器開始計數，因為剛上電時電路運行不穩(wěn)定，如果立即進入工作狀態(tài)會對設備有一定的損壞，所以經過計數器的延時計數之后開始斬波，是為了系統(tǒng)可以更好的運行。計數結束后，斬波控制系統(tǒng)開始運行，其中一部分是PWM信號發(fā)生程序，在系統(tǒng)運行過程中調節(jié)PWM信號的占空比，可以輸出不同幅值的電壓。PWM信號是實現交流斬波調壓的最重要的因素，其頻率也決定了系統(tǒng)輸出的諧波含量，且可以通過撥碼開關逐步調節(jié)PWM的占空比，實現電壓變換軟過度，大大提高了系統(tǒng)運行的安全性。當邏輯判斷程序和PWM信號發(fā)生程序開始運行時VOL和CURR同時為1時正向斬波，正向續(xù)流電路導通，送給正向續(xù)流電路的信號始終為1，若同時為0時反向斬波，反向續(xù)流電路導通，送給反向續(xù)流電路的信號始終為1。當電壓電流不同向時，雙向續(xù)流電路均關斷，斬波電路導通，送給正反向的斬波電路的信號同時為1，而送給正反向續(xù)流電路的信號同時為0，不進行斬波。PWM信號發(fā)生電路產生的PWM信號的占空比可由撥碼開關進行變換，控制輸出的PWM調制信號的占空比，從而控制輸出電壓的幅值，實現輸出電壓的可調性和軟過度，當調節(jié)的目標電壓時，輸出恒定占空比的PWM控制信號，電路可穩(wěn)定的在目標電壓安全運行。

3.1斬波邏輯運算設計

斬波控制的邏輯運算部分目的是為了通過對過零檢測信號的邏輯運算，找出主電路的電壓和電流的正向同向區(qū)域，反向同向區(qū)域和不同向區(qū)域，從而判斷是否進行斬波和如何斬波，并且實現斬波信號的調制。程序設計使用quartus ii的圖形編寫的方法，主要設計部分如圖7所示。

圖7　斬波邏輯運算設計

電流過零檢測信號和電壓過零檢測信號進過觸發(fā)器濾波后進行邏輯運算，輸入一個高頻PWM調制信號，輸出分別控制正向斬波IGBT、反向斬波IGBT和續(xù)流電路IGBT。本次研究的主要原理是當主電路的電壓和電流同為正向時，正向斬波電路的控制端接收PWM信號，正向續(xù)流電路導通，反向斬波電路與續(xù)流電路關斷，斬波電路正向斬波。同理，當主電路電壓和電流同為反向時，反向斬波電路的控制端接收PWM信號，反向續(xù)流導通，正向斬波電路和續(xù)流電路關斷，斬波電路反向斬波。當電壓與電流不同向時正向斬波電路和反向續(xù)流電路導通，正向續(xù)流電路和反向斬波電路關斷，不進行斬波動作，此時斬波電路等效為一根導線，不工作。

3.2PWM占空比控制設計

PWM控制信號的占空比決定這交流斬波調壓系統(tǒng)供電電壓和輸出電壓的比值。當供電電壓一定的時候，控制PWM控制信號的占空比，就可以控制輸出電壓的大小。逐漸改變PWM控制信號的占空比的目的就是避免輸出電壓大范圍突變給負載造成損害。本次設計通過CPLD的程序設計來實現這一目的。設計如圖8所示。

圖8　PWM占空比控制設計

如圖8輸入數字信號并由矢量信號控制，并通過多路器由逐個選通，計數器的輸出端的最高位為輸出的PWM信號。并且可以通過控制多路路由器選通的常數，將電壓電流相位進行判斷后，按電流檢測非互補性控制方式生成控制IGBT開通與關斷的驅動控制信號，從而控制占空比的信號，控制PWM調制波的占空比，由軟件程序設定恒定值為各個檔位目標電壓值與硬件上的撥碼開關相結合，調節(jié)目標電壓。

4　實驗結果與分析

實驗采用金屬鹵化物燈和普通白熾燈并聯，負載功率最大為1 500 W，電源為220 V。此系統(tǒng)使用上文中闡述的方法。設計功率由電壓霍爾傳感器和電流霍爾傳感器所決定。過零檢測電路主要使用放大器和比較器構成，電容使用特殊的CBB電容，改善電容的耐壓功能，使設備更加安全?？刂撇糠质褂肁ltera所生產的CPLD芯片EPM7128SLI84-10。芯片輸出控制信號經過光隔芯片TLP250控制IGBT的導通與關斷。最后使用示波器測量交流斬波控制輸出的信號和最后經過調壓得到的幅值。

通過運用Quartus ii軟件對設計的CPLD控制系統(tǒng)進行仿真，如圖9所示。

圖中的輸入信號V0L_CROSS_502和CURR_CROSS_503為電壓過零檢測電路和電流過零檢測電路送給CPLD的主電路電壓電流相位信號。CLKU為時鐘信號，TRI_3S為信號發(fā)生電路為CPLD提供的時鐘信號，STOP_ALL為負載啟動檢測電路為CPLD提供的控制信號，SELK［3..0］為外電路給CPLD提供的交流斬波穩(wěn)調壓控制信號。O_505A，O_5O5B，O_510，O_513為CPLD芯片的輸出控制信號。0_505A控制正向斬波電路，O_5O5B控制反向斬波電路，0_510控制反向續(xù)流電路，0_513控制正向續(xù)流電路。實際設計中信號延遲電路的時鐘信號TRI_3S頻率很低，為系統(tǒng)提供長達數分鐘的延遲，在仿真實驗時為了仿真方便將TRI_3S設成高頻的時鐘信號，如圖中所示，延遲時間很短。同時為了分析不同情況下的斬波輸出控制信號，將電流和電壓的相位信號設計成在開始時電流滯后于電壓，然后逐漸同相。從仿真圖中可以看出，從0時刻上電開始，STOP_ALL為低電平延遲電路未啟動，O_5O5A，O_，5O5B，0_510，0_513起始電平為0，這是因為CPLD內部的上電延遲電路阻止斬波電路導通，不向負載供電，但是這個延遲時間很短。結束后這時STOP_ALL仍為低電平斬波延遲電路未啟動，不進行斬波控制，O_5O5A和O_5O5B輸出高電平，0_510和O_513輸出低電平，斬波電路相當于零線和火線向負載供電，不斬波。當STOP_ALL從低電平跳變?yōu)楦唠娖胶?，斬波延遲電路開始計數延遲，在計數延遲結束前，O_5O5A和 O_5O5B輸出高電平，0_510和O_513輸出低電平，斬波電路相當于零線和火線向負載供電，不斬波。當計數延時結束后，系統(tǒng)進入斬波控制階段。

測試出的輸出信號如圖10所示。

圖9　CPLD控制時序仿真波形

圖10　交流斬波控制輸出

圖11　帶負載調壓波形

通過實驗，上電之后，兩種功率不同燈泡可正常啟動，經過手動觸發(fā)后，輸出電壓從220V逐漸降低到目標電壓，如圖11所示。由撥碼開關控制不同的檔位，不同檔位對應不同的電壓幅值，變化過程平緩可以看到燈泡的亮度并不是瞬間變化而是逐漸變暗，實現了軟過度的目的，保證了設備的可靠性。經過長時間的運行和反復上電實驗，并未出現故障。燈泡也相對穩(wěn)定，未出現燈泡燈絲被燒斷的現象。由于在工作過程中IGBT會產生大量的熱，在加裝風冷散熱裝置后，交流調壓系統(tǒng)可以長時間安全穩(wěn)定的工作。

5　結　論

本次研究的調壓方式在過零檢測電路中運用了濾波檢測技術，易于濾除諧波干擾，提高了功率因數，同時避免了電壓過零信號和電流過零信號的相位延遲，避免斬波電路產生過零點震蕩所造成的主電路短路現象。

相對于傳統(tǒng)的晶閘管調壓設備，本次研究可以大大提高負載的功率，本縮小設備的體積，并明顯的降低了設備的制造和維護成本。使用撥碼開關控制輸出目標電壓的幅值，避免了在調節(jié)過程中出現的電壓過沖和過電流的現象，同時減小了調壓系統(tǒng)的能耗，減少了對電網的無功功率污染和諧波干擾。具有負載照明的電壓恒定功能，延長照明設備使用壽命2～3倍，最大節(jié)能可達40%。

研究當中采用CPLD作為控制系統(tǒng)的核心，由于具有較強的數據處理能力，能夠實時的進行數據處理、信號檢測的控制制等保護功能以及輸出電壓的穩(wěn)定性避免了輸出電壓的激增對用電設備的危害，大大的降低了控制系統(tǒng)設計的難度。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，電力電子元器件的開關速度更快，會逐步降低對PWM調制信號的頻率限制，向著更高頻的方向發(fā)展，減小電流的紋波因數，降低對電網的污染，提高交流斬波調壓系統(tǒng)的功率和性能。也可以減小器件體積，較傳統(tǒng)變壓設備更簡便，更人性化。

［1］王兆安，劉進軍.電力電子技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］程順足，楊文剛.基于PWM斬波的交流調壓系統(tǒng)設計［J］.變頻器世界，2012（8）：98-100.

［3］王忠林，曹獻美.基于Quartus II的CPLD的數字系統(tǒng)設計與實現［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［4］Shinyama T，Ueda A，Tory A.AC chopper using four switches［C］.IEEEProceedings，PowerConversion Conference，2002.

［5］陳虹，江炳華.交流斬波調壓器中PWM控制的FPGA實現［J］.企業(yè)技術開發(fā)，2013，2（5）：40-41.

［6］劉漢奎，顧建軍，徐殿國，等.高性能交流電壓調節(jié)技術的發(fā)展概況［J］.電工技術雜志，2000（6）：1.

［7］毛承雄，王丹，陸繼明，等.電子電力變壓器［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［8］Emadi A，Lee Young Joo，Rajashekara K.Power electronics and motor drivers in electric，hybrid electric，and Plug-In hybrid electric vehicles［M］.IEEE trans action on Industrial Electronics，2008.

Research of AC chopping PWM control technology

LEI Zhi-yong，ZHU Zhe，LEI Ming
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technologicol University，Xi'an 710032，China）

With the development of power electronics technology，high-performance AC voltage regulator technology has been widely used.Base on the generation of high power electrical appliances means that the performance requirements of AC voltage regulation device are also improved，which makes AC voltage regulator device to develop high voltage and ultra large capacity. AC chopping circuit by using complex programmable logic device（CPLD）control word set pulse width modulation（PWM）of technical adjusting the duty cycle of the output signal to adjust the output voltage of the chopper circuit.Experimental verification of this technology by implementing a soft over-voltage purpose，and no short circuits，voltage overshoot and overcurrent phenomenon.Using this approach，essentially solves the traditional AC chopping circuit shorted，voltage overshoot and over-current phenomenon，extend the service life of electrical equipment for 2-3 times，the maximum energy saving can reach 40%.

AC chopping；pulse width modulation；soft excessive；short circuit；voltage overshoot；over current

TN7

A

1674－6236（2016）06-0056-05

2015-10-12稿件編號：201510063

陜西省教育廳產業(yè)化中試項目（2008JK0652）

雷志勇（1961—），男，陜西渭南人，碩士，教授。研究方向：計算機測控技術。