葉淼胤，張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

?

一種三臂式交流穩(wěn)壓器的測控系統(tǒng)設(shè)計

葉淼胤，張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

采用一種無自耦變壓器的方案,通過改變拓?fù)渲械?組橋臂的狀態(tài)，從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的.設(shè)計了一種高效的測控系統(tǒng)，通過對輸入輸出電壓實時檢測，微控制器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號和控制信號，并且通過硬件邏輯電路對控制信號的處理，有效地減輕了微控制器的負(fù)擔(dān)，增加了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，采用新型的三臂式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)壓器的整體效率.

自耦變壓器；橋臂；硬件邏輯電路

0　引　言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電量逐年增長，各地出現(xiàn)電力供應(yīng)緊張.在供電高峰期時，供電電壓不穩(wěn)，造成電力設(shè)備損壞[1].為了提高市電質(zhì)量，我國主要采用的是交流穩(wěn)壓電源.現(xiàn)在市場上的交流穩(wěn)壓電源主要有自耦變壓器變比調(diào)整型穩(wěn)壓電源、參數(shù)調(diào)整型穩(wěn)壓電源、三相柱式滑動調(diào)節(jié)補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源[2]、變壓器無觸點(diǎn)切換式補(bǔ)償穩(wěn)壓電源和EPWM斬控補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源等，傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓器通過一個自耦變壓器去補(bǔ)償電壓，但是自耦變壓器存在著許多缺點(diǎn)，如電壓調(diào)節(jié)的級數(shù)限制、響應(yīng)速度慢、較大的安裝體積和難以改變電壓畸變等.

本文介紹一種三臂式交流穩(wěn)壓器[3]，并針對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測控系統(tǒng)設(shè)計.電路通過3組橋臂的切換達(dá)到升壓和降壓.主拓?fù)渲胁捎?個電感代替了自耦變壓器，它具有響應(yīng)快、體積小和解決電壓畸變問題等優(yōu)點(diǎn).

1　三臂式單相交流穩(wěn)壓器總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由AC/AC功率電路、電壓檢測電路、數(shù)字邏輯控制電路、死區(qū)時間控制電路、開關(guān)管驅(qū)動電路、微控制器MCU電路和輔助電源7個部分組成，如圖1所示.市電一路進(jìn)入AC/DC輔助電源電路，輔助電源提供整體電路穩(wěn)定的直流電壓；另外一路輸入到AC/AC功率電路，經(jīng)過輸入電壓檢測電路，將電壓信號傳送給MCU，MCU通過對輸入電壓信號的采樣分析，計算出三臂式交流穩(wěn)壓器中6個開關(guān)管所處的狀態(tài)，并把帶有死區(qū)時間的輸出信號提供給數(shù)字邏輯控制電路，最后邏輯電路調(diào)制完成的信號通過開關(guān)管驅(qū)動電路驅(qū)動6個開關(guān)管，達(dá)到穩(wěn)定的220 V電壓.

圖1　系統(tǒng)設(shè)計整體框圖

2　AC/AC功率電路

BOOST模式能量傳遞如圖2所示，S1，S2作為斬波開關(guān).上半部分為輸入電壓正半波，S3，S6關(guān)閉，S4，S5開啟時，關(guān)閉S1，開啟S2，電感L1儲能，Vo=Vi[4].開啟S1，關(guān)閉S2，電感L1釋能，Vo=Vi+VL1，完成上半部分的能量傳遞[5].下半部分為輸入電壓負(fù)半波，S4，S5關(guān)閉，S3，S6開啟，開啟S1，關(guān)閉S2，電感L1儲能，Vo=Vi.關(guān)閉S1，開啟S2，電感L1釋能，Vo=Vi+VL1，完成下半部分能量傳遞.

BUCK模式能量傳遞如圖3所示，S5，S6作為斬波開關(guān).上半部分為輸入電壓正半波，S2，S3關(guān)閉，S1，S4開啟時，開啟S5，關(guān)閉S6，電感L2儲能，Vo=Vi.關(guān)閉S5，開啟S6，電感L2釋能，Vo=VL2.完成上半部分的能量傳遞.下半部分為輸入電壓負(fù)半波，S2，S3開啟，S1，S4關(guān)閉，關(guān)閉S5，開啟S6，電感L2儲能，Vo=Vi.開啟S5，開啟S6，電感L2釋能，Vo=VL2，完成下半部分能量傳遞.

圖2　BOOST模式下電感能量傳遞示意圖

圖3　BUCK模式下電感能量傳遞示意圖

3　檢測電路設(shè)計

采用精密電壓互感器隔離AC/AC功率電路，通過電壓互感器I1采樣輸入輸出電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路[6]，最終將已調(diào)制的電壓信號傳輸給MCU的A/D轉(zhuǎn)換器.通過對采樣電壓的計算，MCU輸出對應(yīng)占空比的PWM信號，檢測電路如圖4所示.精密電壓互感器的額定電流為5 mA，R12和R15為限流電阻，這里取30 kΩ，R12和R15串聯(lián)分壓.U3為OP07，這里作為I-V變換，通過精密可調(diào)電位器，輸出近1.5 V電壓.U4采用LM358，VCC通過R3和R4分壓后，將作為V1的抬升電壓，使最終MCU接收電壓VAD范圍為0～3.3 V.

圖4　電壓檢測電路設(shè)計

4　控制電路設(shè)計

控制器選擇STM32F103C8T6，主頻高達(dá)72 MHz，并且內(nèi)部自帶12位AD和DMA控制器，滿足本設(shè)計要求.MCU不僅需要對輸入輸出電壓信號和輸入電壓過零點(diǎn)信號的實時檢測，還需要輸出占空比可調(diào)的PWM信號、模式信號和過零點(diǎn)信號.所以，MCU將啟用DMA控制器，對AD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證整體高效運(yùn)行.

電路拓?fù)渲械?組橋臂，需要在其所處的模式下分別進(jìn)行工作，所以如何可靠控制、快速切換成了難點(diǎn)所在.電路中需要6個開關(guān)管的控制信號，如果直接用MCU輸出6路開關(guān)信號，不同模式下各路信號都不相同，軟件程序?qū)嵭斜容^困難，難以達(dá)到快速、穩(wěn)定的要求.所以本設(shè)計采用數(shù)字邏輯控制的方式，代替純軟件設(shè)計.MCU只需提供PMW信號、模式信號MODE和過零點(diǎn)信號ZCP.硬件電路控制比軟件控制，具有響應(yīng)快、高可靠性的優(yōu)點(diǎn).

4.1死區(qū)時間控制電路

如果開關(guān)管在推挽動作中同時處于ON狀態(tài)，會出現(xiàn)電流過大的現(xiàn)象，引起設(shè)備燒損[6].所以，設(shè)計方案中的3組橋臂都需要添加死區(qū)時間控制電路.死區(qū)時間控制電路如圖5所示，PWM信號經(jīng)過死區(qū)電路得到帶有死區(qū)時間的輸出信號，輸出信號E和F為帶有死區(qū)時間的互斥信號，分別提供給一組橋臂使用.調(diào)節(jié)R1和C1的參數(shù)改變死區(qū)時間[7].

4.2開關(guān)信號控制電路

圖5　死區(qū)時間控制電路

PWM信號經(jīng)過死區(qū)時間控制電路，輸出2路帶有死區(qū)的PWM信號(PWM+和PWM-)，PWM+和PWM-互為反相信號(兩者之間帶有死區(qū)時間).在BOOST模式下，MODE=0；在BUCK模式下，MODE=1.輸入電壓信號由負(fù)到正過零點(diǎn)時，ZCP=1，反之，ZCP=0.開關(guān)信號控制電路如圖6所示，ZCP+和MODE信號是選擇器的控制信號，通過這兩個信號，把PWM+和PWM-傳送給S1，S2，S5和S6.而ZCP直接提供給S4，ZCP的反相信號提供給S3.MCU不需要一直切換PWM信號，只需要提供一路占空比可調(diào)的PWM信號，將開關(guān)信號傳送到開關(guān)管.通過零點(diǎn)檢測電路，輸出ZCP信號.通過輸入電壓檢測電路，輸出MODE信號.2選1選擇器由1個與門和3個與非門組成.

圖6　開關(guān)信號控制電路

5　實驗結(jié)果

輸入電壓采樣測試，測試電壓分別為最小值175 V和最大值265 V.調(diào)節(jié)精密可調(diào)電位器R2使V1的電壓絕對值在3.3 V之內(nèi)，通過改變R3與R4的比值設(shè)定抬升電壓為1.5 V.圖7(a)為輸入電壓為175 V的情況下的ADC采樣電壓波形，如圖7所示，通過運(yùn)放的I-V變換和抬升電路，采樣電壓波形與Chroma61602輸出電壓波形一致，采樣電壓最小值為0.82 V，最大值為1.91 V.圖7(b)為輸入電壓為265 V時的采樣波形，采樣電壓最小值為0.31 V，最大值為3.21 V，以上兩種極限電壓均符合單片機(jī)的ADC采樣范圍.通過多次測量不同輸入電壓時的采樣值，確定輸入電壓與采樣電壓保持線性關(guān)系，MCU立即對采樣值完成轉(zhuǎn)換，實時調(diào)整占空比，最終控制輸出電壓穩(wěn)定在220 V.

圖7　采樣電壓波形圖

2路互補(bǔ)PWM信號采樣波形如圖8(a)所示，其死區(qū)時間如圖8(b)所示.通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器和更換電容來改變死區(qū)時間，選用200 pF電容和10 kΩ的可調(diào)電位器，將死區(qū)時間調(diào)至3.5 μs附近(IGBT開關(guān)管推薦死區(qū)時間3.5 μs以上).

圖8　PWM信號波形圖

最終進(jìn)行穩(wěn)壓器效率測試，本設(shè)計交流穩(wěn)壓器的額定功率為1 kW，在功率板輸出端接入50 Ω大功率電阻進(jìn)行測試，測得效率高達(dá)97%，比傳統(tǒng)穩(wěn)壓器高出10%.實驗平臺如圖9所示，Chroma 61602可調(diào)交流電源、TDS1012B示波器、三臂交流穩(wěn)壓器控制板和功率板.

圖9　測試實驗平臺

6　結(jié)束語

三臂式單相交流穩(wěn)壓器作為大功率器件，穩(wěn)定性和安全性十分重要.本文采用互感器將大功率電路和控制電路隔離，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定工作.數(shù)字邏輯電路代替了復(fù)雜的軟件程序，減輕了MCU的工作壓力，提高了設(shè)計的穩(wěn)定性，并且添加硬件死區(qū)時間控制電路，減少了開關(guān)管損耗和損壞，提高了整體系統(tǒng)的安全性，使用三臂式交流拓?fù)渖崛チ俗儔浩?，減小了體積和重量，并提高了穩(wěn)壓器的整體效率.

[1]丁男菊.斬波補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器的設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué),2011.

[2]李峰.EPWM斬控補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與研究[D].長春:吉林大學(xué),2009.

[3]WU J C,JOU H L,WU K D,et al.Three-arm AC automatic voltage regulator[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2011,58(2):567-575.

[4]MANIKTALA S.精通開關(guān)電源設(shè)計[M].王志強(qiáng),譯.北京:人民郵電出版社,2008:69-70.

[5]KWON J M,KIM K T,KWON B H.Comments on“Three-Arm AC Automatic Voltage Regulator”[J]. Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2012,59(1):646-649.

[6]LI P,WANG Y,PHILIP Adam G,et al.Three-Phase AC-AC Hexagonal Chopper System With Heterodyne Modulation for Power Flow Control Enhancement[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2015,30(10):5508-5521.

[7]稻葉保.模擬技術(shù)應(yīng)用技巧101例[M].關(guān)晴,胡圣曉,譯.北京:科學(xué)出版社,2006:14-15.

The Design of Measure and Control System of a Three-arm AC Automatic Voltage Regulator

YE Miaoyin, ZHANG Wenchao

(SchoolofElectronicInformation,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

In this paper, the project of none-autotransformer was introduced which can achieve voltage regulation by changing the three groups of bridge arm in the topology, in the meaning time a kind of measurement and control system with high-efficiency was designed. Through the real-time detection of the input voltage, the output voltage, the relevant PWM signal and control signal produced by micro control unit(MCU), and then after disposing the control signal through hardware logic circuit, the burden of MCU is relieved efficiently also the safety and stability of the system was increased. Using new topology, it improved the efficiency of the whole system.

autotransformer; bridge arm; hardware logic circuit

10.13954/j.cnki.hdu.2016.01.004

2015-07-09

葉淼胤(1991-)，男，浙江永嘉人，碩士研究生，智能信息處理系統(tǒng).通信作者：張文超教授，E-mail：zwczhang@126.com.

TM44

A

1001-9146(2016)01-0016-05