基于單片機的數字式交流調壓系統硬件電路設計

呂偉鵬

（鹽城師范學院 江蘇 鹽城 224002）

目前，我國某些地區電網供電質量比較差，電網電壓波動范圍較大[1]。電網電壓波動對敏感性負載，如計算機、通訊設備和過程控制系統等影響很大，有可能導致這些系統的有效數據丟失、通信中斷和生產周期加長等嚴重后果。因此，調節電網電壓使得用電設備處于理想工作狀態，從而獲得最大的技術經濟效益是非常重要的[2]。

市場上的開關型交流調壓器產品一般采用相控交流/交流變換器加隔離升壓變壓器結構。由于采用了各周期相控技術，其響應時間可以小于一個電網電壓周期。但其輸出電壓和電流的諧波含量較高，需要較大容量的濾波環節，并且輸入功率因數較低。

從國內外的研究現狀來看，數字式交流調壓控制技術是一種新型高性能交流調壓技術[3]。國內目前的晶閘管調壓器中觸發脈沖電路大部分為模擬電路元件形式，易受電網電壓影響，達不到理想的控制效果，且不具有調功功能，無法實時檢測電路的工作電壓、電流值[4]。數字式交流調壓器相對于模擬相控式交流調壓器具有網側電流諧波含量低、功率因數高、諧波頻率高、容易濾波和對電網造成的污染小等優點，在對交流調壓器工作原理及控制方法進行深入研究的基礎上，進行了控制芯片外圍電路的設計，主要包括電壓、電流過零點檢測電路的設計、電壓參考電路的設計、繼電保護輸出電路的設計、輸出濾波器設計。該電路的研究與開發得到了國內外學者們的關注。

1 數字式交流調壓器原理

電力電子類交流調壓器常見的控制方式分為相位控制和斬波控制，交流斬波控制的原理如圖1（a）所示。SW1為主開關，SW2為續流開關。它是以比輸入電源高得多的頻率周期性使電路中的功率器件導通和關斷，通過改變開關周期中功率器件導通的占空比來調節輸出電壓的大小[5]。理想工作狀態下，斬波工作的工作波形如圖1（b）所示，其中Tx為斬波周期，TON為功率器件在一個周期中的導通時間。

圖1 交流調壓控制原理Fig.1 Principle of AC voltage controller

數字式交流調壓是連續調節方式，其輸入電流、輸出電壓的諧波及其對電網和升壓變壓器的影響較相控式小得多[6]。開關頻率足夠高時，只要引入極小尺寸的輸入、輸出濾波器，可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全濾除，電源側的功率因數總是與負載側相同。因此，采用數字式交流調壓電路可使裝置體積減小，功率因數提高，而且數字式交流調壓可大大改善系統動態響應特性。

2 控制電路的構成及其工作原理

整個調壓器系統使用單片機控制。Dspic30f6014a單片機是整個控制系統的核心，管理整個系統的工作。系統的硬件結構如圖2所示。

圖2 系統的硬件結構Fig.2 The hardware structure of the system

觸發電路采用了APA3311繼電器輸出，配合電流、電壓過零點檢測電路，在Dspic30f6014a單片機的控制下產生PWM脈寬調制信號觸發晶閘管的開關。

同步電源經過一個比較器LM339轉換成同相的方波送入控制芯片進行過零檢測，并以此產生的信號作為觸發脈沖電路的同步信號。控制芯片產生的觸發脈沖通過光耦隔離、放大，由繼電器輸出加到晶閘管的門極（G）和陰極（K）。電壓給定信號Uref與電壓反饋信號Uf由Dspic30f6014a自帶的12位A/D進行模數轉換，單片機根據給定信號的大小（開環工作模式）或PID的輸出量（恒流、恒壓、恒功率工作模式）通過計算得到SCR的導通角來實現對主電路的調壓。

3 電壓、電流過零檢測電路

電壓、電流過零檢測電路通過電壓比較器對輸出電壓過零點進行檢測，經過輸入捕捉模塊把模擬量轉化成數字量，送單片機中斷，從而確定SCR的開關狀態。在文中采用LM3ll電壓比較器來實現電壓、電流的過零點檢測。

3.1 電壓過零點檢測電路

電壓比較器（voltage comparator）LM311于其它電壓比較器有較小的輸入電流，是LM106、LM710的大約千分之一。它有較寬的工作電壓范圍，從標準的±15 VDC供電到單電源十3 V供電，其輸出兼容RTL、DTL和TTL以及MOS電路。

輸出電壓通過降壓變壓器后得到一個50 Hz的交流信號ZVC，電壓過零點檢測電路圖如圖3所示。

圖3 電壓過零點檢測電路Fig.3 Circuit of voltage zero-crossing detection

文中選用的降壓變壓器為220 V：12 V，變壓器輸出電壓ZVC經過由R17和C12組成的RC低通濾波器接到電壓比較器U1的正向輸入端。－15 V通過R18、R20分壓得到兩個比較器的基準點壓，由于RC低通濾波器產生的微小相位偏移。其中 R18為 50 MΩ。 ，R20為 50 Ω，R18＞＞R20所以 U1的 3腳和U2的2腳約等于0。R21、C30組成輸出RC低通濾波器，R22為上拉電阻。

3.2 電流過零點檢測電路

文中使用TA17－12精密電流互感器對電流進行檢測，TA17系列電流互感器采用優質坡膜合鐵芯，進口環型繞線機繞制使線性度優于1‰，典型應用電路如圖4所示。

圖4 電流互感器典型應用圖Fig.4 Circuit of current zero-crossing detection

輸入電流時，次級會產生一個與變比相應的輸出電流，在輸出端并接電阻得到取樣電壓，取樣電阻應小于100 Ω，再通過運算放大電路將轉換的電壓信號放大。電流過零點檢測與電壓過零點檢測工作原理相同。

3.3 電壓參考電路設計

電壓參考電路如圖5所示，電壓參考電路是將輸入的3.3 V電壓經過兩級運放變成1.5 V的電壓。圖中運算放大器為LM124，運算放大器的電源電壓為±15 V。

第一級運放輸出電壓為

第二級運放輸出電壓為

式中U=3.3 V，經計算輸出電壓Uref=1.5 V。

圖5 電壓參考電路Fig.5 Circuit of voltage reference

4 繼電保護輸出電路設計

晶閘管具有一定的過載能力。調壓器所采用的晶閘管正常工作電流為4 A，提供過載電流為6 A，時間為10 s。可見，對于晶閘管調壓器應設置保護。文中使用APA3311繼電器作為繼電保護輸出電路。

晶閘管繼電保護原理框圖如圖6所示。電壓形成回路是從勵磁回路中取出電流信號，一般采用串電阻方法，其阻值取回路電阻的1%左右，通過強勵電流約為2.1 V，通過正常工作電流2 A時，電壓降為0.7 V。這個電壓信號直接加到監幅器上，其起動值為2 V。一旦監幅器動作，使時限電路工作，其延時時間整定為3 s。當延時時間到，使執行開關管導通，把調壓器的晶閘管的觸發脈沖短接，從而晶閘管失去觸發脈沖而關斷。

圖6 繼電保護輸出電路框圖Fig.6 Diagram of relay output circuit

為了保護電路工作可靠，該電路還采用了延時恢復特性。

5 輸出濾波器設計

數字式交流調壓器的輸入、輸出電壓中含有高次諧波，這些高次諧波會對電網造成較大的諧波污染，同時高次諧波可能會產生電磁干擾導致周圍的一些電子設備、計算機類敏感負載、通訊系統等不能正常工作。因此濾波器的設置和設計具有重要的意義。

輸出電壓所包含的頻率成分與電子開關頻率fm和輸入電壓頻率fm有關，在nfs的左右成對出現，每一對諧波成分幅值相等。對于用于工頻的斬控式交流調壓器，wm即工頻角頻率（wm=2π×50 Hz），要比 ws低得多，通常關在 5 kHz以上，這樣諧波成分的頻率比基波成分大得多，這為輸出電壓的濾波創造了有利條件。fs越高諧波頻率就越高，進行濾波較容易。而且fs越高諧波頻率就越高，在進行低通濾波時濾波元件的參數就越小，更容易實現，輸出濾波器常用LC低通無源二階濾波器。

1）濾波器拓撲結構及數學模型

圖7 LC濾波器拓撲結構Fig.7 Topology of LC filter

若不計電感線圈的內阻及電容器的漏電阻，傳遞函數為

2）濾波器參數的確定

①從系統對控制對象頻率特性的要求選擇濾波器的L，C

在文中，fm=50 Hz，fs=5 kHz，諧波中最低的頻率 fhar（min）=4 950 Hz。為了使濾波器輸出電壓接近正弦波同時又不會引起諧振問題，LC濾波器的截止頻率必須要遠小于輸出電壓中所含有的最低次諧波頻率，同時又要遠大于基波頻率。LC截止頻率選為：

取 fc=10 fm，則 wc=3 140 rad/s，由式可得：

②從濾波電感上的電壓損耗考慮

本系統令濾波電感的壓降為電網電壓的2%～3%。

式中：U=220 V；I=4.5 A；w=2nf=100n。由此計算電感值為3.1～4.7 mH。

由式（7）得出的電感值可計算出電容值為21～32 μF。綜上分析電容值選用22 μF/450 V，電感值選用3 mH/30 A。

6 實驗結果及分析

在完成系統的軟硬件設計后，文中對整個控制系統在純阻性負載下進行了調試，并記錄了主電路和控制電路中各個單元的測試波形結果并對其作了分析，通過對其諧波的分析，測得諧波含量小于5%。本系統占空比調節范圍為0.1～0.9，輸出穩定電壓范圍為20～210 V。

6.1 觸發信號實驗波形

主電路交流側輸入電壓為220 V/50 Hz，負載阻抗為25 Ω，開關頻率為5 kHz，輸出電壓和輸出電流同相位，CH1為輸出電壓的波形，CH2為觸發信號波形，如圖8所示，其中圖8（a）的占空比為0.33，圖 8（b）的占空比約為 0.8。

圖8 觸發信號及輸出電壓Fig.8 The trigger signal and output voltage

6.2 主回路輸出電壓波形

電源輸入電壓為220 V交流電，設定輸出電壓為110 V時，主回路輸出電壓波形如圖9（a）所示，其占空比約為0.5。當設定輸出電壓為200 V時，輸出電壓波形如圖9（b）所示，此時的占空比約為0.8。

6.3 電網電壓波動時輸出電壓的波形

文中設計的硬件電路在系統啟動并穩定后電網電壓向上波動時占空比輸出的曲線如圖10（a）所示。由圖10（a）可以看出，當在0.55 s時刻電網電壓發生波動時，控制器的響應時間僅為半個工頻周期左右，這就進一步證明了文中設計的硬件電路具有響應速度快和超調量小等優點。圖10（b）為系統啟動并穩定后電網電壓向下波動時占空比的輸出曲線，這條曲線也同樣證明了本文所設計的硬件電路的優點。

圖9 主回路輸出電壓Fig.9 Output voltage of main circuit

圖10 電網電壓波動時輸出電壓Fig.10 Output voltage when grid voltage fluctuated

實驗結果表明，數字式交流調壓器和模擬相控式交流調壓器相比具有易濾波，輸出電壓、電流好，對電網諧波污染小和輸出動態響應快等優點，能夠在電網電壓不穩定的條件下，達到穩定輸出電壓的目的。

7 結 論

介紹了數字式交流調壓器的基本原理，在對交流調壓器工作原理及控制方法進行深入研究的基礎上，進行了控制芯片外圍電路的設計，主要包括電壓電流過零點檢測電路的設計、電壓參考電路設計、繼電保護輸出電路的設計、輸出濾波器設計。實驗結果說明數字式交流調壓器相對于相控式交流調壓器具有網側電流諧波含量低、功率因數高、諧波頻率高、容易濾波和對電網造成的污染小等優點，實現了調節并穩定輸出電壓的目的。

[1]蘇曉宇，陳伯定，丁海艷，等.基于DSP的斬控式交流調壓器的設計[J].黑龍江水專學報，2009（1）：89-91.

SU Xiao-yu，CHEN Bo-ding，DING Hai-yan，et al.Design of AC chopper regulator to control the voltage based on DSP[J].JournalofHeilongjiangHydraulicEngineering，2009（1）：89-91.

[2]FANG Hong-wei， XIA Chang-liang，XIU Jie.Research on the perturbation stability margin when the controller is fixed intelligentcontroland automation[C]//TheSixth World Congress on Intelligent Control and Automation，2006：2131-2135.

[3]王汝文，張抗.電力電子技術應用基礎[M].西安:西安交通大學出版社，1998.

[4]Shinyama T，Ueda A，Torii A.AC chopper using four switches[C]//IEEE Proceedings，Power Conversion Conference，2002：1056-1060.

[5]洪峰，孫剛，王慧貞.Buck型AC/AC直接變換器[J].電工技術學報，2007，3.73-76

HONG Feng，SUN Gang，WANG Hui-zhen.A Buck AC/AC direct converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2007（8）：73-76.

[6]蘇麗花.靜電除塵器斬控式交流調壓電源的研制[D].西安：西安交通大學，2007.