巫付專， 韓　梁， 馮占偉

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

斬控式AC-DC-AC變換在交流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

巫付專， 韓梁， 馮占偉

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：針對傳統(tǒng)AC-DC-AC交流穩(wěn)壓電源輸入諧波大、功率因數(shù)低和體積大等問題，設(shè)計(jì)了一種基于PWM斬控式AC-DC-AC變換的單相交流穩(wěn)壓電源。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源同傳統(tǒng)AC-DC-AC相比，節(jié)省了直流側(cè)電容；由于采用PWM斬波控制，濾波器設(shè)計(jì)簡單，線路中諧波含量低，輸入側(cè)達(dá)到了單位功率因數(shù)要求。電壓、電流檢測采用單相信號構(gòu)造成三相信號，利用瞬時(shí)無功功率理論對信號進(jìn)行檢測與處理，實(shí)時(shí)性高。系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制，提高了精度和穩(wěn)定性。對系統(tǒng)進(jìn)行了MATLAB/simulink仿真并且搭建硬件平臺(tái)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)和控制方法的可行性。

關(guān)鍵詞：單相交流； 穩(wěn)壓電源； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 斬波控制； AC-DC-AC

單相交流穩(wěn)壓電源種類很多，所采取的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也多種多樣，常見的有直接AC-AC結(jié)構(gòu)、AC-DC-AC結(jié)構(gòu)等。文獻(xiàn)[1]提出了一種具有兩級功率變換的直接AC-AC高頻交流變換的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，其變換率高。但是，采用高頻變壓器以及輸入輸出周波變換器，增加了裝置成本和體積；開關(guān)管電壓應(yīng)力大，輸出電壓諧波含量高。文獻(xiàn)[2]提出了一種新穎的三電平AC-AC變換器，其輸出電壓諧波含量低，開關(guān)管電壓應(yīng)力小，能實(shí)現(xiàn)較高電壓等級的變換，但是存在著驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]提出了一種針對大功率場合的晶閘管控制交流穩(wěn)壓系統(tǒng)，其工作穩(wěn)定性好，但是由于采用的是相控方式，控制角增大會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，電流中諧波也相對增大，所需濾波器的體積隨之變大。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于雙PWM控制的AC-DC-AC變換的單相交流穩(wěn)壓電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用PWM整流器代替二極管不可控整流，實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動(dòng)，諧波含量小。然而，因其電路采用兩個(gè)H橋，并且還需要直流側(cè)儲(chǔ)能電容，所以其硬件電路以及控制方法較為復(fù)雜。

本文設(shè)計(jì)了一種采用PWM斬波控制的單相交流穩(wěn)壓電源。其開關(guān)頻率及采樣控制精度高，只含有開關(guān)次的諧波，采用簡單的濾波器即可濾除諧波；穩(wěn)壓控制采用輸出電壓、電流PI雙閉環(huán)控制方式，采用瞬時(shí)無功理論檢測負(fù)載電壓和電流，實(shí)時(shí)性好；主電路省去了直流側(cè)電容，功率因數(shù)高，諧波含量小。

1系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為采用斬控式單相交流穩(wěn)壓電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主電路由交流電源、輸入和輸出LC濾波器、整流器、逆變器構(gòu)成。輸入交流電壓信號經(jīng)輸入LC濾波和單相全橋整流，得到單相橋式不可控整流電壓信號，再經(jīng)過逆變器得到等寬不等幅的斬波信號，最后經(jīng)過輸出LC濾波電路得到正弦電壓信號。

圖1　斬控式單相交流穩(wěn)壓電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在輸入電壓正半周時(shí)，給開關(guān)管VT1、VT2互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號，給開關(guān)管VT3持續(xù)的低電平，給開關(guān)管VT4持續(xù)的高電平；當(dāng)VT1處于PWM波的高電平時(shí)，輸入電壓經(jīng)VT1斬波；當(dāng)VT1處于PWM波的低電平時(shí)，VT2和VD4構(gòu)成續(xù)流回路。在輸入電壓負(fù)半周時(shí)，給開關(guān)管VT1持續(xù)的低電平，給開關(guān)管VT2持續(xù)的高電平，給開關(guān)管VT3、VT4互補(bǔ)的PWM驅(qū)動(dòng)信號；當(dāng)VT3處于PWM波的高電平時(shí)，輸入電壓經(jīng)VT3斬波；當(dāng)VT3處于PWM波的低電平時(shí)，VT2和VD4構(gòu)成續(xù)流回路。

設(shè)Ui為輸入電源電壓，Uo為負(fù)載輸出電壓，由斬波AC-DC-AC變換電路可知：

Uo=S(t)*Ui

(1)

式(1)中，開關(guān)函數(shù)S(t)定義為：

(2)

式(2)中：n=0，±1，±2，…；D為占空比；Ts為開關(guān)周期。

設(shè)Ui=Umsin2πfst，則有：

Uo=S(t)Umsin2πfst

(3)

式(3)中：Um為輸入電源電壓峰值；fs為輸入電源電壓頻率。

對Uo進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開，可得：

(4)

式中：fc為載波頻率；n為諧波次數(shù)；a=sin[2π(nfc+fs)t-nπD]；b=sin[2π(nfc-fs)t-nπD]。

式(4)表明，輸出電壓除含有基波外，還含有其他次諧波，諧波頻率主要分布在nfc±fs處，開關(guān)頻率越高，諧波與基波的距離越遠(yuǎn)。截止頻率f與濾波器LC參數(shù)的關(guān)系為：

(5)

由式(5)可看出，采用小參數(shù)的濾波器即可濾除諧波，減小濾波器體積。同時(shí)，由式(4)可看出基波幅值與輸入電壓幅值之比為：

(6)

由式(6)可知，根據(jù)占空比D來控制各開關(guān)管的狀態(tài)即可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

2檢測算法及控制策略

常用的檢測算法有均方根計(jì)算法、傅里葉分析法、瞬時(shí)無功理論檢測法等。均方根算法計(jì)算簡單，但是運(yùn)算時(shí)有一個(gè)周期的延時(shí)；傅里葉分析法雖然可以檢測各次諧波，但是其運(yùn)算也有一個(gè)周期的延時(shí)，計(jì)算量大；瞬時(shí)無功理論檢測法實(shí)時(shí)性好，運(yùn)算相對簡單，但是它只適用于三相信號，因此，需要將單相信號構(gòu)造成三相信號。

在對稱的三相三線制電路中，各相的電壓波形相同，相位各相差120°。同樣，各相的電流波形也相同，相位各相差120°。設(shè)uL、iL分別為單相電路負(fù)載輸出的電壓和電流瞬時(shí)值，由uL、iL構(gòu)造三相系統(tǒng)，并設(shè)ua、ub、uc和ia、ib、ic分別為所構(gòu)造的系統(tǒng)三相電壓、電流的瞬時(shí)值。在三相三線制電路中，只有兩個(gè)電流是獨(dú)立的，另一個(gè)電流可由獨(dú)立的兩個(gè)電流算出。由此，可令ia=iL，而由iL延時(shí)60°所得到的電流與延時(shí)240°所得的電流正好反相[5]，即為-ic，而ib=-ia-ic。這樣，就構(gòu)造出了三相電流；同理，三相電壓也可由此方法構(gòu)造得到。

檢測到的負(fù)載電壓按照上述方法由單相構(gòu)造成三相，然后根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論進(jìn)行dq變換得到d軸、q軸電壓分量ud、uq和電流分量id、iq：

(7)

(8)

其中,C32為三相到兩相變換矩陣：

(9)

對dq軸電壓ud、uq及電流id、iq進(jìn)行均方根計(jì)算，可得到單相電壓、電流的峰值um、im：

(10)

(11)

本文采用外環(huán)電壓環(huán)、內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙環(huán)控制策略，對給定電壓與負(fù)載反饋電壓做差，得到電壓誤差信號，送入PI調(diào)節(jié)器，其輸出信號作為負(fù)載電流的給定；然后與負(fù)載電流做差，得到電流誤差信號，再進(jìn)行一次PI調(diào)節(jié)；最后，PI調(diào)節(jié)的輸出信號與三角波比較產(chǎn)生PWM控制信號，以控制IGBT開關(guān)管工作。電壓、電流檢測及雙環(huán)控制原理如圖2所示。

圖2　電壓、電流檢測及雙環(huán)控制原理圖

3仿真及實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

3.1MATLAB仿真電路及仿真結(jié)果分析

根據(jù)單相交流穩(wěn)壓電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用MATLAB/simulink搭建了仿真模型(見圖3)。其中Subsystem1是單相構(gòu)造三相檢測電壓模塊，Subsystem2是單相構(gòu)造三相檢測電流模塊，二者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，如圖4所示；Subsystem3是驅(qū)動(dòng)電路模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。在仿真模型中，輸入電壓為AC220V，輸出電壓為AC36V，輸入濾波電感為4mH，輸入濾波電容為10μF，輸出濾波電感為7mH，輸出濾波電容為10μF，負(fù)載為20Ω。仿真模型中使用的鋸齒波頻率為12.8kHz，電壓外環(huán)PI參數(shù)為kp外=0.4，ki外=0.5，電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)為kp內(nèi)=0.6，ki內(nèi)=20。本仿真要求輸出負(fù)載電壓穩(wěn)定在36V，由鋸齒波比較產(chǎn)生的信號和50Hz的脈沖發(fā)生器輸出信號進(jìn)行與邏輯，產(chǎn)生PWM信號來控制IGBT開關(guān)管的通斷，調(diào)節(jié)輸出電壓，以達(dá)到變壓、穩(wěn)壓的目的。

圖3　單相交流穩(wěn)壓電源MATLAB仿真原理圖

由單相電壓構(gòu)造成三相電壓的波形如圖6所示，電流的構(gòu)造與此相同。

由圖6可看出，從單相電壓信號可成功構(gòu)造出三相電壓信號。

圖4　單相構(gòu)造三相檢測模塊

圖5　驅(qū)動(dòng)電路模塊

圖6　單相電壓構(gòu)造三相電壓波形

當(dāng)輸入電壓Ui=200V時(shí)，輸出電壓、電流波形如圖7所示。

當(dāng)輸入電壓Ui=240V時(shí)，輸出電壓、電流波形如圖8所示。

由圖7和圖8看出，隨著輸入電壓的變化，負(fù)載輸出電壓有效值穩(wěn)定在36V不變，諧波畸變率為3.78%，諧波含量小。

圖7　輸入電壓Ui=200 V時(shí)輸出電壓、電流波形

圖8　輸入電壓Ui=240 V時(shí)輸出電壓、電流波形

3.2實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文根據(jù)仿真模型設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。圖9為該樣機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖。它主要由交流電源、DSP控制器、整流器、逆變器、濾波器、調(diào)理電路、過零檢測電路、光隔驅(qū)動(dòng)電路以及負(fù)載組成。樣機(jī)輸入電壓為AC220V，輸出電壓為AC36V，輸入濾波電感為3mH，輸入濾波電容為10μF，輸出濾波電感為5mH，輸出濾波電容為10μF，負(fù)載為28Ω。整流橋型號為SQL50A1000V；逆變橋采用型號為FSAM30SH60A的功率模塊；選用TMS320F2812DSP芯片作為控制器。采用CHV-25P電壓霍爾傳感器檢測負(fù)載電壓，LA-50P電流霍爾傳感器檢測負(fù)載電流。用調(diào)理電路將檢測信號變成0~3V電壓信號,送入DSP;過零檢測電路檢測輸入交流電壓相位,送入DSP，使輸出電壓與輸入電壓同相，并使驅(qū)動(dòng)信號在半個(gè)周期時(shí)換相。DSP控制器產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過光隔驅(qū)動(dòng)電路控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的斬波。

圖9　交流穩(wěn)壓電源硬件結(jié)構(gòu)圖

仿真軟件的流程如圖10所示。該軟件的總體結(jié)構(gòu)由主程序、周期中斷服務(wù)程序和AD轉(zhuǎn)換子程序組成。其中：主程序主要完成系統(tǒng)及所使用外設(shè)的初始化功能以及通過查詢方式更新?lián)Q相時(shí)刻；周期中斷服務(wù)程序執(zhí)行鋸齒波比較算法后，完成占空比的更新，從而產(chǎn)生PWM波；AD轉(zhuǎn)換子程序完成電壓、電流的采集，以及電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI調(diào)節(jié)。

(a)主程序 (b)周期中斷服務(wù)程序　(c)A/D子程序圖10　DSP軟件流程圖

由于樣機(jī)輸入側(cè)分壓電阻的作用，輸入信號呈4倍衰減并在示波器上顯示。當(dāng)輸入電壓Ui=60.1V，負(fù)載R=28Ω時(shí)，輸出電壓Uo=35.6V，如圖11所示。當(dāng)輸入電壓Ui=51V，負(fù)載R=28Ω時(shí)，輸出電壓Uo=35.5V，如圖12所示。當(dāng)輸入電壓Ui=51V，負(fù)載R=15Ω時(shí)，輸出電壓Uo=35.4V，如圖13所示。

圖12　Ui=51 V，R=28 Ω時(shí)，輸出電壓波形

圖13　Ui=51 V，R=15 Ω時(shí)，輸出電壓波形

由圖11和圖12看出，針對不同輸入電壓搭建的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，輸出電壓都能穩(wěn)定在36V。由圖12和圖13可看出，負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓也能穩(wěn)定在36V，輸出電壓與輸入電壓同相，且諧波畸變率為4.95%，低于國家標(biāo)準(zhǔn)5%(見圖14)。

圖14　負(fù)載輸出電壓諧波分析

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于斬控式AC-DC-AC變換的

單相交流穩(wěn)壓電源，在檢測方法上采用單相構(gòu)造三相，并用瞬時(shí)無功功率理論檢測輸出電流，實(shí)時(shí)性好；在控制策略上采用負(fù)載電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，提高了系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性；最后，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，并搭建了硬件平臺(tái)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，針對不同輸入電壓，系統(tǒng)的輸

出電壓基本穩(wěn)定在有效值36V，且諧波畸變率為4.95%，低于國家標(biāo)準(zhǔn)5%；由于采用高性能DSP芯片為主控制器，開關(guān)頻率高，因此采用簡單的濾波器便可濾除諧波，減小了裝置體積；整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且諧波含量小，穩(wěn)壓效果好。

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(責(zé)任編輯：王長通)

Application of Chopping AC-DC-AC Conversion in AC Regulated Power Supply

WU Fu-zhuan，HAN Liang，F(xiàn)ENG Zhan-wei

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China)

Abstract:In view of these problems, large input harmonic, low power factor and large volume of traditional AC-DC-AC single-phase AC regulated power supply， a single-phase AC regulated power supply based on PWM Chopping AC-DC-AC conversion is designed. Compared to the conventional AC-DC-AC topology, the topology saves the DC capacitor. As a result of PWM chopper control, filter design is simple, low harmonic content of the line and the input side can achieve unity power factor. detecting of voltage and current uses single-phase signal composing three-phase signal. detecting and processing of signal uses the instantaneous reactive power theory, real-time high. The double closed loop control of voltage and current improve the accuracy and stability of the system. Finally, using MATLAB / Simulink the system and lapped hardware platform are simulated, the simulation and experimental results verify the feasibility of the topology and control method.

Key words:single-phase AC； regulated power supply; topology; chopper control; AC-DC-AC

文章編號：1671-6906(2015)01-0022-04

作者簡介：董學(xué)武(1956-)，男，天津人，教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)利用及先進(jìn)制造技術(shù)。

收稿日期：2014-10-13

中圖分類號：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.005