開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器的原理分析

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(bǔ)式，另一類就是逆變補(bǔ)償式。開關(guān)互補(bǔ)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(diǎn)相結(jié)合，為電能的傳遞增加一個(gè)預(yù)設(shè)的電子通路，以便減少電流切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊和干擾，因?yàn)檫@種沖擊往往會損壞機(jī)械開關(guān)、電子器件，甚至用電設(shè)備；逆變補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，是以補(bǔ)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(bǔ)償電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，補(bǔ)償是無極的，補(bǔ)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(jìn)行系統(tǒng)的闡述、分析和具體的設(shè)計(jì)。本文針對開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器,提出它的原理和設(shè)計(jì)方法，并按此方法研制出一臺10KVA的開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器，以期達(dá)到跟蹤前沿技術(shù)，為進(jìn)一步開發(fā)系列開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器做好準(zhǔn)備。

2 開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓電源工作原理

2.1 整機(jī)組成

　　本穩(wěn)壓器由補(bǔ)償變壓器組合單元、繼電器單元、開關(guān)互補(bǔ)電路、控制電路、過欠壓以及過流保護(hù)及故障告警電路、輔助電源等部分組成，整機(jī)框圖如下：

2.1.1 穩(wěn)壓部分的設(shè)計(jì)

　　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(bǔ)償型、開關(guān)型。在這里，我們采用的是大功率補(bǔ)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(bǔ)償變壓器提供初級電壓。其中，互補(bǔ)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(bǔ)電路的設(shè)計(jì)

　　關(guān)互補(bǔ)電路實(shí)際上是繼電器的一個(gè)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(bǔ)式交流穩(wěn)壓器的主要技術(shù)點(diǎn),電路如圖3:

圖3
　　互補(bǔ)電路中IGBT承受的電壓、電流應(yīng)力都較大，對IGBT的安全構(gòu)成極大的影響。而互補(bǔ)電路工作成敗之關(guān)鍵，主要取決于IGBT能否安全工作，為了改善IGBT的開關(guān)狀況和安全工作區(qū)域，適應(yīng)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器所要求的負(fù)載特性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
　　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(bǔ)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(jì)方式，同時(shí)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(shí)IGBT的反向電壓；
　　4、對IGBT的額定電壓、電流參數(shù)，選取時(shí)除按理論計(jì)算外，還要考慮適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)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(shí)間極短，在正常工作時(shí)，熱量在還沒有傳出殼外時(shí)，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(shí)，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(jì)不當(dāng)造成的損壞。
　　2.1.3 功率補(bǔ)償單元
　　該補(bǔ)償單元由繼電器及其相應(yīng)的開關(guān)互補(bǔ)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(bǔ)嘗單元中的繼電器與其對應(yīng)的開關(guān)互補(bǔ)電路的工作波形和工作時(shí)序關(guān)系，從中我們可以知道，開關(guān)互補(bǔ)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(bǔ)式交流穩(wěn)壓電源成功的關(guān)鍵所在。

2.2 功率補(bǔ)償單元的工作原理

　　為方便闡述，我們把功率補(bǔ)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(bǔ)電路S0、S1、S2、S3、S4、S5?？紤]到電網(wǎng)變化的隨機(jī)和無序性，設(shè)計(jì)時(shí)采用頂層設(shè)計(jì)、整體考慮的方法，來確定功率補(bǔ)償單元的工作時(shí)序。值得特別強(qiáng)調(diào)的是，開關(guān)互補(bǔ)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(bǔ)電路工作，待繼電器工作穩(wěn)定后，再斷開關(guān)互補(bǔ)電路，這是控制的關(guān)鍵所在，否則開關(guān)補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器將失去意義。為及時(shí)判斷繼電器的切換狀態(tài)，特設(shè)計(jì)了雙光耦補(bǔ)償型電路，實(shí)現(xiàn)信號的鎖定，以便于單片機(jī)的正確判定。表1給出了功率補(bǔ)償單元在不同輸入電壓值時(shí)的工作時(shí)序。
表1

2.3 軟件的設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)中，單片機(jī)擔(dān)負(fù)著對輸入電壓的實(shí)時(shí)檢測和處理，控制功率補(bǔ)償單元的工作，對整機(jī)提供各種保護(hù)、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(jī)進(jìn)行初始化，延時(shí)2秒后，進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的電壓補(bǔ)償，否則補(bǔ)償電路不進(jìn)行任何動作，但要相應(yīng)的聲光告警；電壓調(diào)整完畢達(dá)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(shí)，單片機(jī)對輸出電壓進(jìn)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(fù)載工作，在電壓恢復(fù)正常后，自動合閘，輸出電壓。單片機(jī)還對輸入電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，只要市電發(fā)生變化，就進(jìn)入相應(yīng)的電壓補(bǔ)償子程序，對補(bǔ)償電壓進(jìn)行調(diào)整。其流程圖見圖5。

圖5

3 實(shí)作結(jié)果

　　當(dāng)輸入交流電壓幅值發(fā)生相同的變化時(shí)，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(bǔ)電路與沒加互補(bǔ)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(bǔ)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(jī)電磁干擾強(qiáng)、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(diǎn)得到明顯的改善，輸出電壓波形變得平滑，體現(xiàn)出了互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)。

A無關(guān)互補(bǔ)電源輸出電壓波形

B互補(bǔ)電路電源輸出電壓波形
圖6
　　其達(dá)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(shí)間　　　　　　≤50ms
　　6）、正弦波失真度　　　　≤1.0%
　　7）、整機(jī)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(jìn)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(jià)格比的交流穩(wěn)壓器，具有智能化、輕量化、高可靠性的特點(diǎn)。實(shí)踐證明，開關(guān)互補(bǔ)式交流穩(wěn)壓器的以上優(yōu)點(diǎn)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。

參考文獻(xiàn)

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