- 開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器的原理分析
- 開關(guān)互補電路的設(shè)計
- 利用微處理器進行智能控制和監(jiān)控管理
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)互補式,另一類就是逆變補償式。開關(guān)互補式交流穩(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)的繼電器觸點相結(jié)合,為電能的傳遞增加一個預(yù)設(shè)的電子通路,以便減少電流切換時產(chǎn)生的沖擊和干擾,因為這種沖擊往往會損壞機械開關(guān)、電子器件,甚至用電設(shè)備;逆變補償式交流穩(wěn)壓器,是以補償型交流穩(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償電壓進行穩(wěn)壓,補償是無極的,補償精度高,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,還沒有人對此進行系統(tǒng)的闡述、分析和具體的設(shè)計。本文針對開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器,提出它的原理和設(shè)計方法,并按此方法研制出一臺10KVA的開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器,以期達到跟蹤前沿技術(shù),為進一步開發(fā)系列開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器做好準(zhǔn)備。
2 開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓電源工作原理
2.1 整機組成
本穩(wěn)壓器由補償變壓器組合單元、繼電器單元、開關(guān)互補電路、控制電路、過欠壓以及過流保護及故障告警電路、輔助電源等部分組成,整機框圖如下:
2.1.1 穩(wěn)壓部分的設(shè)計
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、大功率補償型、開關(guān)型。在這里,我們采用的是大功率補償型作為穩(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,來給補償變壓器提供初級電壓。其中,互補開關(guān)組合陣列采用的是繼電器并聯(lián)式接法。
2.1.2 開關(guān)互補電路的設(shè)計
關(guān)互補電路實際上是繼電器的一個旁通電子開關(guān),采用兩只IGBT、兩只二極管構(gòu)成的交流通路,是互補式交流穩(wěn)壓器的主要技術(shù)點,電路如圖3:
圖3
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)計方式,同時增加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IGBT的反向電壓;
4、對IGBT的額定電壓、電流參數(shù),選取時除按理論計算外,還要考慮適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗系數(shù),使IGBT具有更大的安全工作區(qū)域;
5、雖然IGBT的導(dǎo)通時間極短,在正常工作時,熱量在還沒有傳出殼外時,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,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)計不當(dāng)造成的損壞。
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2.1.3 功率補償單元
該補償單元由繼電器及其相應(yīng)的開關(guān)互補電路組成,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為功率補嘗單元中的繼電器與其對應(yīng)的開關(guān)互補電路的工作波形和工作時序關(guān)系,從中我們可以知道,開關(guān)互補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)互補式交流穩(wěn)壓電源成功的關(guān)鍵所在。
2.2 功率補償單元的工作原理
為方便闡述,我們把功率補償單元拆分為繼電器J0、J1、J2、J3、J4、J5及其對應(yīng)的開關(guān)互補電路S0、S1、S2、S3、S4、S5??紤]到電網(wǎng)變化的隨機和無序性,設(shè)計時采用頂層設(shè)計、整體考慮的方法,來確定功率補償單元的工作時序。值得特別強調(diào)的是,開關(guān)互補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)互補電路工作,待繼電器工作穩(wěn)定后,再斷開關(guān)互補電路,這是控制的關(guān)鍵所在,否則開關(guān)補式交流穩(wěn)壓器將失去意義。為及時判斷繼電器的切換狀態(tài),特設(shè)計了雙光耦補償型電路,實現(xiàn)信號的鎖定,以便于單片機的正確判定。表1給出了功率補償單元在不同輸入電壓值時的工作時序。
表1
2.3 軟件的設(shè)計在系統(tǒng)中,單片機擔(dān)負著對輸入電壓的實時檢測和處理,控制功率補償單元的工作,對整機提供各種保護、告警和狀態(tài)指示。
系統(tǒng)接通市電,合上電源開關(guān)后,單片機進行初始化,延時2秒后,進行輸入電壓檢測,若輸入電壓在允許范圍內(nèi),則根據(jù)電壓值進行相應(yīng)的電壓補償,否則補償電路不進行任何動作,但要相應(yīng)的聲光告警;電壓調(diào)整完畢達到輸出標(biāo)準(zhǔn)后,自動合上輸出交流接觸器,系統(tǒng)正常輸出。此時,單片機對輸出電壓進行過壓檢測,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載工作,在電壓恢復(fù)正常后,自動合閘,輸出電壓。單片機還對輸入電壓進行實時檢測,只要市電發(fā)生變化,就進入相應(yīng)的電壓補償子程序,對補償電壓進行調(diào)整。其流程圖見圖5。
圖5
3 實作結(jié)果
當(dāng)輸入交流電壓幅值發(fā)生相同的變化時,比較圖6所示的兩種穩(wěn)壓器輸出電壓波形可發(fā)現(xiàn),有互補電路與沒加互補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、整機電磁干擾強、不能提高功率因數(shù)的根本原因所在;而在B圖中,這一缺點得到明顯的改善,輸出電壓波形變得平滑,體現(xiàn)出了互補式交流穩(wěn)壓電源的優(yōu)點。
A無關(guān)互補電源輸出電壓波形
B互補電路電源輸出電壓波形
圖6
其達到的主要技術(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)時間≤50ms
6)、正弦波失真度≤1.0%
7)、整機效率≥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格比的交流穩(wěn)壓器,具有智能化、輕量化、高可靠性的特點。實踐證明,開關(guān)互補式交流穩(wěn)壓器的以上優(yōu)點以及它的低成本、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。