高频交流环节AC_AC同频变换系统基准正弦电路研究
基于单相Boost型 AC-AC交流变换器的分析与实现
基于单相Boost型AC/AC交流变换器的分析与实现摘要：详细分析了单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略。
通过对输入电压的极性判断，并结合输出电压误差放大信号与三角载波的比较结果，可确定各开关管的工作状态。
对单相Boost型AC/AC交流变换器进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真和试验结果验证了理论分析的正确性及控制策略的可行性。
1 引言 AC/AC交流变换是把一种形式的交流电变换为另一种形式的交流电[1-2]，其中可用于升压变换的主要有工频变压器、交-直-交变换器、电子变压器[3-4]、高频交流环节AC/AC交流变换器[5-6]、非隔离的Boost型、Buck-Boost型AC/AC交流变换器[7-11]。
工频变压器体积重量大，且无稳压及调压功能；交-直-交变换器变换级数过多，变换效率不高，对电网谐波污染严重，且在升压场合还需一台升压变压器；电子变压器体积重量小，无稳压及调压功能，且开关器件数量众多；高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离，但拓扑结构及控制电路复杂，且开关器件数量众多；Buck-Boost型AC/AC交流变换器能实现升降压功能，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，从而变换效率不高，且输入输出相位相反；在无需隔离的升压场合，Boost型AC/AC交流变换器具有结构简单、容易控制等特点。
本文详细分析了单相Boost型AC/AC交流变换器的工作原理及其控制策略，对其进行了仿真研究，并研制了一台原理样机，仿真及试验结果与理论分析一致。
2 电路结构与工作原理 图1为单相Boost型AC/AC交流变换器的电路结构[7]，其中S1（S1a、S1b）和S2（S2a、S2b）为两对交流开关管，二者高频互补开通，开通时间分别为DTS、(1-D)TS，其中D为占空比，TS为开关周期。
该变换器可看成正反两个Boost型DC/DC直流变换器的组合，当输入电压大于零时，正向Boost型DC/DC直流变换器由电感Lf、开关管S1a和S2a、电容Cf构成；当输入电压小于零时，反向Boost型DC/DC直流变换器由电感Lf、开关管S1b和S2b、电容Cf构成。
电力电子技术基础 第6章 AC-AC变换-交流调压和交交变频器
图6-1 单相交流调压电路（电阻式负载）
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
u1
2、单相交流调压电路 （阻感式负载）
0j a
p
2p
wt
波形与工作原理
VT1
i0
VT2
R i2
~u1
u0
L
uG uG1
uG2
0
wt
u0
0j a
p
p+ a
wt
i00wtqFra bibliotekuVT
0
wt
图6-2 阻感负载电路波形
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
电力电子技术课程讲座
第6章 AC/AC变换——交交变流电路 6.1 概述
交流-交流变流电路（AC/AC Converter）即把一种形式的交流变成另一种形式 交流的电路。在进行AC-AC变流时，可改变相应的电压(电流)、频率和相数等。
交流-交流变换电路可以分为直接方式（即无中间直流环节）和间接方式（有中 间直流环节）两种。
+
p
a p
第6章 AC/AC变换——交流调压和交交变频器
2、单相交流调压电路 （电阻式负载）
1.0
功率因数 λ
0.8
P U0I0 U0 sin 2a + p a
S U1I0 US
2p
p
✓ α越大，输出电压越低，功率因数也越低。 ✓ 移相范围： ✓ 图中输出电压虽是交流，但不是正弦波，没有偶次谐
O
✓
时刻，开通VT2，此时i2流过负载，u0 = u1；
✓在
期间，无VT通，由相应的VT承担u0电压，u0 = 0。
p+a
电力电子技术 第5章 交流-交流(AC-AC)变换
图5-20 余弦交点控制法波形原理
☞结论：由ui换相到ui+1的条件应为：
uR=(ui+ui+1)/2
(5-11)
37
5.4.2 直接变频电路
图5-21 正弦型交-交变频电路输出电压、电流波形 38
5.4.2 直接变频电路
■输入、输出特性
26
5-3-3 交流斩波调压的控制
■互补控制方式
◆ up和un分别为交流电压正、负半周 对应的同步信号。
up有效时，V1、V3交替施加控制信号， un有效时，V2、V4交替施加控制信号。
◆由于实际的开关器件存在有导通、 关断延时，很可能会造成斩波开关 和续流开关直通而短路。为防止短 路，可增设死区时间，这样又会造 成两者均不导通，使负载电流断续 产生过电压现象。因此，为了防止 过电压还需采取其他措施，如使用 缓冲电路等。这是互补控制方式的 不足之处。
n
)
(5-9)
ton
TC
k
2
TC
n
n
TC
ton
23
5.3.1 斩控式交流调压的基本原理
■斩控式交流调压电路的谐波分析
式(5-9)代入 式(5-7)可得
uo
2u sin t 1 n1
2u sinn
n
sin nk t n sin nk t n
(5-10)
Uo 含有基波及高次谐波， 谐波频率在开关频率 ω 及其整数倍两侧处分布， 开关频率越高，谐波与基波距离越近，越容易滤波。
t3 ~ t4 ： uo和io均为负， 反组整流， 输出功率为正
t4 ~ t5 ： uo反向， io仍为负 反组逆变， 输出功率为负
理学ACDC变换技术
图4-12 单相桥式可控整流电路及阻性负载时电流和电压波形
由于属于全波整流，因此其输出平均电压为半波整流的两倍 当 时，相当于不控桥式整流；当 时，输出电压为零，故晶闸管可控移相范围为1800。 负载电流平均值为：
1）R负载 输出直流电压平均值： 这两个电路各点电流、电压的波形如图4-10所示。比较这两电路可以发现： 带中心抽头的全波整流电路需要带中心抽头的变压器，桥式整流则不需要； 带中心抽头的全波整流只需要两个二极管，每半周期内只有一个二极管导通，单相全桥整流需要4个二极管，每半周期内有两个二极管导通，因此带中心抽头的全波整流的导通损耗是单相全桥整流的一半。 带中心抽头的全波整流电路中，二极管所承受的反向电压是单相全桥整流电路中二极管承受电压的两倍。
图4-6 单相半波可控整流电路及波形（纯阻负载）
电流i0值为： 在交流电压正半周快结束时，晶闸管中的电流自然的下降到维持电流以下，晶闸管自动进入阻断状态，负载电流变为零，交流电源为负时，在负半周期间，晶闸管转入反向阻断状态，电源电压又全部加在晶闸管上，负载上电压又为零。而后，电路重复上述过程。 因此，在电源工作周期内，负载上只是得到脉动直流电压，其脉动频率与电源频率一样，它的波形只在电源电压正半周出现，故称为单向半波可控整流电路。
1）电阻负载 忽略整流管的导通压降和反向漏电流，在阻性负载下，电压波形和电流波形完全一样。 则整流输出电压平均值为： 输出电流平均值为： 由有效值定义，输出电压和电流有效值为：
2）R-L负载 负载电路如图4-2所示，根据电路理论，可以写出电压平衡方程 这是一阶微分方程，解此方程可得： 图4-3是R-L负载时的波形。 从图可以看出：由于 ，有负电压产生，尽管输入电压已为负，二极管仍然导通，其正向导通角大于 ，二极管关断时，电流为零。
AC-AC变换技术
时输出电压有效值及电压传输比：
输入电压为交流220V，50Hz， 输入电压为交流220V，50Hz， 输出电压和电流如图7 输出电压和电流如图7-6所示。
，L=0.005H， L=0.005H，
图7-6 电感负载时输出电压和电流（
）
延迟角大于90度时，熄灭角为 延迟角大于90度时，熄灭角为 ，即 在 区间晶闸管T1流过电流。在 区间晶闸管T1流过电流。在 区间输出电流为零， 时刻导通晶闸 管T2，其熄灭角为 T2，其熄灭角为 ，即在 区 间晶闸管T2流过电流，如此重复。输入电 间晶闸管T2流过电流，如此重复。输入电 压为交流220V，50HZ， 压为交流220V，50HZ， ，L=0.005H， L=0.005H， 输出电压和电流如图7 输出电压和电流如图7-7所示。
换相 T1→T3
T5T6
T2T3
换相 T4→T6
T4 T5
T4 T3
换相 T2→T4
换相 T3→T5
图7-10 导通顺序和换向图
T1在延迟角等于 时导通，T5承受反压关断，输出电流 T1在延迟角等于 时导通，T5承受反压关断，输出电流 沿着 流动，负载两相通电（a 流动，负载两相通电（a，b），负载各相 电压：
图7-7 电感负载时输出电压和电流（α
= 5π 8 ）
2） 三相延迟角控制 三相交流控制器一般用于交流电机控制，电路连接只是把 三相电源的三个端子分别串入双向晶闸管或采用两个反并 联晶闸管，负载一般采用星星连接。为了分析简单，只分 析电阻负载，电路如图7 析电阻负载，电路如图7-8所示，负载连接公共点为，再 次写出三相交流电源的相电压和线电压表达式：
图7-11 三相输出电压波形
3 PWM控制 PWM控制 如前所述，相控电路的低次谐波较大，并且很难 消除，为了改进相控电路的不足，PWM控制被提出。 消除，为了改进相控电路的不足，PWM控制被提出。 交流PWM控制的基本思路为，把交流电源用理想开 交流PWM控制的基本思路为，把交流电源用理想开 关控制导通、关断，其输出为一系列等宽不等高 的脉冲，其包络和输入电源相同。电源输出幅度 可以通过控制脉冲宽度（开关频率不变）来改变， 也就是前述的占空比控制。理想电路如图7 12所 也就是前述的占空比控制。理想电路如图7-12所 示，输出波形如图7 13所示。 示，输出波形如图7-13所示。
AC-DC-AC论文正弦脉宽调制论文：AT89C2051控制的纯正弦波逆变器的设计
AC－DC－AC论文正弦脉宽调制论文：AT89C2051控制的纯正弦波逆变器的设计摘要：在在日常的生产和生活中，我们经常需要将一种形式的电能变换成另外一种形式的电能，从而来满足不同情况下生产和生活的需要。
电力变换就是在电源和负载之间，将电压、电流、频率（包括直流）、相位、相数、波形等电器特性中的一个以上特性进行实质性的无损耗变换。
除了变换装置内部的损耗和能量存储（或释放）外，变换装置的输入输出功率是相等的。
本文将使用at89c2051单片机对交流－直流－交流变换器进行实时检测和自动控制，用数字化的方法来实现正弦脉冲宽度调制（spwm），从而得到纯正弦波的输出波形。
单片机模拟输出的spwm信号可使硬件电路简化，系统功率因数与效率大大提高；同时采用高频调制后可获得高质量的输出电压波形，抑制了高次谐波，使变换器损耗减小，由此提高了系统的工作性能。
关键词：ac－dc－ac 正弦脉宽调制纯正弦波 igbt一、研究的目的和意义现代电力电子技术的飞速发展使交流电机变频调速产生了极大的飞跃，快速功率开关器件igbt 的出现使pwm 方式控制的交流变频装置的性能得到了很大提高[1]。
spwm 波生成技术从控制手段而言, 过去多采用模拟控制电路来实现，这种控制电路既复杂, 又难以保证控制精度。
而用单片机生成spwm 波，可以方便地对变频器进行直接数字控制，从而获得调节灵活，稳定可靠，性能优异的效果。
综上所述，采用igbt 作为逆变开关元件，由8 位at89c2051 单片机组成spwm变频器，符合目前国际上“开关技术高频化, 变频器高性能化, 控制技术智能化”的发展趋势。
二、技术、方法、路线在电力电子器件飞速发展的今天，想得到交流变频电源较为容易。
变频通常有两种方式[3]：①交流－直流－交流变换器；②交流－交流变换器。
本系统采用交流－直流－交流(ac-dc-ac)变换器，是一个整流器－逆变器系统[2]。
交流－直流－交流变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成直流，而后再通过逆变器把直流电逆变成固定频率的交流电。
acc控制原理
acc控制原理
AC（交流）控制原理是一种用于电力系统中的控制方法，其
基本原理是利用交流电的周期性特点来实现对电力系统的控制。
该原理主要包括以下几个方面：
1.周期性特点：交流电的周期性特点使得电压和电流的数值在
一个周期内反复变化。
每个周期可以分为正半周期和负半周期，而正负半周期的长度相等。
2.相位角：交流电波形可以用正弦或余弦函数来表示，其波形
可以通过相位角来描述。
相位角表示了波形相对于时间的偏移量，通常用角度或弧度来表示。
3.频率：交流电的频率指的是在单位时间内波形所经历的周期数。
在欧洲和大部分亚洲国家，交流电的频率一般为50Hz，
而在美国和部分亚洲国家是60Hz。
4.电压和电流的控制：AC控制原理中，通过对交流电的相位
角进行控制，可以实现对电压和电流的控制。
例如，通过改变相位角的大小和方向，可以实现对电压的调整和变频。
5.应用：AC控制原理在电力系统中有广泛的应用，例如对变
压器和电机进行启动、调速和负载控制。
同时，它还可以用于电力系统的稳定性控制和保护。
AC控制原理的应用可以提高电力系统的稳定性和可靠性，同
时也可以实现对电力的有效利用。
在电力系统的控制过程中，
掌握AC控制原理是非常重要的。
需要根据具体的控制要求和系统特点，选择合适的AC控制方法和设备，以实现对电力系统的精确控制。
高频交流环节AC_AC同频变换系统基准正弦电路研究
高频交流环节AC/AC同频变换系统基准正弦电路研究李 磊,陈道炼,李明珠,胡育文(南京航空航天大学,南京 210016) 摘要:介绍并分析研究了一种采用数字化技术的、与电网电压同步的基准正弦电路,给出了关键电路参数设计准则。
试验结果与理论分析一致。
该基准电路具有输出正弦电压与电网电压同步、T HD小、幅值可调且不受电网电压波动的影响、简单实用、价格低廉等优点,在高频交流环节AC/AC变换系统、不间断电源系统U PS中具有重要应用价值。
关键词:变换器/高频交流环节;AC/AC变换系统;基准正弦电路中图分类号:V242.2 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2002)01-0000-00R esearch on a R eference Sinusoidal Circuit of the AC/ACConstant Frequence Conversion System with High Frequency AC LinkL I Lei,CHEN Dao2lian,L I Ming2zhu,HU Yu2wen(N anjing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics,N anjing210016,China) Abstract:A reference sinusoidal circuit based on digital technique and synchronous with the line voltage is proposed and investigated.The design criterion of the key circuit parameters is given.The experimental results agree with the the2 oretical analysis.The reference circuit has the advantages such as synchronous with the line voltage,low T HD,adjustable peak voltage free from the fluctuation of the line voltage,simplicity and utility,low cost.The reference circuit has im por2 tant applicative value in the AC/AC conversion s ystem with high frequency ac link and U PS.K eyw ords:converter;high frequency ac link;AC/AC conversion system;reference sinusoidal circuit1 引 言新颖的高频交流环节AC/AC变换系统[1]如图1所示。
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高频交流环节AC/AC同频变换系统基准正弦电路研究李 磊,陈道炼,李明珠,胡育文(南京航空航天大学,南京 210016) 摘要:介绍并分析研究了一种采用数字化技术的、与电网电压同步的基准正弦电路,给出了关键电路参数设计准则。
试验结果与理论分析一致。
该基准电路具有输出正弦电压与电网电压同步、T HD小、幅值可调且不受电网电压波动的影响、简单实用、价格低廉等优点,在高频交流环节AC/AC变换系统、不间断电源系统U PS中具有重要应用价值。
关键词:变换器/高频交流环节;AC/AC变换系统;基准正弦电路中图分类号:V242.2 文献标识码:A 文章编号:1000-100X(2002)01-0000-00R esearch on a R eference Sinusoidal Circuit of the AC/ACConstant Frequence Conversion System with High Frequency AC LinkL I Lei,CHEN Dao2lian,L I Ming2zhu,HU Yu2wen(N anjing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics,N anjing210016,China) Abstract:A reference sinusoidal circuit based on digital technique and synchronous with the line voltage is proposed and investigated.The design criterion of the key circuit parameters is given.The experimental results agree with the the2 oretical analysis.The reference circuit has the advantages such as synchronous with the line voltage,low T HD,adjustable peak voltage free from the fluctuation of the line voltage,simplicity and utility,low cost.The reference circuit has im por2 tant applicative value in the AC/AC conversion s ystem with high frequency ac link and U PS.K eyw ords:converter;high frequency ac link;AC/AC conversion system;reference sinusoidal circuit1 引 言新颖的高频交流环节AC/AC变换系统[1]如图1所示。
该电路结构由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器构成,能将正弦电网电压变换成同频率的高质量正弦交流电压,具有两级功率变换(L FAC/HFAC/L FAC)、双向功率流、网侧电流波形可改善、高频电气隔离、无噪音等优点,是实现新型电子变压器和新型正弦交流稳压器的关键技术基础。
由于图1所示变换器输出电压u o与输入电网电压u i同步,输出电压u o又要跟踪基准正弦电压u r,从而要求基准正弦电压u r与输入电网电压u i 同步。
因此,研究与电网电压同步的基准正弦电路,是高频交流环节AC/AC变换系统的重要内容。
本文介绍一种采用数字化技术、与电网电压同步的基准正弦电路,主要研究了该电路的原理、关键基金项目:国家自然科学基金(59977010)、江苏省自然科学基金(B K99121)资助项目收稿日期:2001-07-03定稿日期:2001-08-26作者简介:李磊(1975-),男,山东济宁市人,博士生,研究方向为功率电子变换技术。
参数设计准则,并给出了试验结果。
图1 高频交流环节AC/AC变换系统2 电路原理高频交流环节AC/AC变换系统基准正弦电路如图2所示。
图2 与电网电压同步的基准正弦电路结构其基本思想是先将电网电压u i变换成一个与其同步的基准电压方波信号,输入到锁相环,锁相环输出信号经n分频电路(本基准电路采用450分频)后再送回锁相环,作为基准电压方波信号的比较32信号。
当锁相环处于锁定状态时,锁相环输出频率为基准电压方波信号n 倍的时钟信号。
该时钟信号送入地址发生器,然后依次读取出事先固化在E 2PROM 中的数字化的标准正弦信号,再经过D/A 转换和运放,变换成与基准电压方波信号同频率、同相位的基准正弦电压。
2.1 电网电压取样和正弦波/方波转换电路电网电压经变压器取样,再经过零比较器,得到基准电压方波信号。
2.2 时钟信号形成电路时钟信号形成电路如图3所示。
将基准电压方波信号输入锁相环,由锁相环输出电路所需的时钟信号。
在锁相环的锁定状态下,该时钟信号频率为基准电压方波信号频率的450倍。
该时钟信号经分频器CD4520和CD40175实现450分频,所得信号作为锁相环的比较信号。
将此时钟信号送入地址发生器4040。
图3 时钟信号形成电路2.3 相位同步电路在电网电压u i 过零时对地址发生器4040清零,可严格保证最终所得基准正弦电压与电网电压同频同相,图4为清零信号形成电路。
将基准方波电压信号及其经过与非门4011后的反相信号一起送入单稳态触发器4528,经或门4071后得到4040的清零信号,以实现4040的225分频计数和保证对EPROM 中数据的正确读取,使数据经D/A 转换后与正弦波正负半周极性控制信号严格对应。
图4 地址发生器4040清零信号形成电路2.4 正弦波幅值和极性控制电路正弦波幅值和极性控制电路由运放L F353与模拟开关4066及外围电阻R 4、R 5、R 6组成,如图5所示。
取R 4=R 5=R 6,则该电路实质是一个单位增益放大器。
由于4066控制信号为基准电压方波信号,则L F353输出双极性方波信号。
该双极性方波信号作为模数转换器DAC0832的参考电压信号,且与所需要产生的基准正弦电压同相。
通过调节电位器,可以调节基准正弦电压的幅值。
图5 正弦波幅值与极性控制电路2.5 正弦波产生电路正弦波产生电路由地址发生器4040、EPROM27C64、DAC0832和L F353组成,如图6所示。
其核心是EPROM27C64和DAC0832。
图6 正弦波产生电路考虑到DAC0832的极性控制功能,可事先将半周期正弦波进行225分频离线采样,算好其幅值后按序排成数据表存入EPROM 中。
EPROM 中存入的数据表的计算式为: D i =255sin180°225-1i(1)式中 i =0,1,2,3,4……224;225为FFH 对应的十进制数锁相环输出的时钟信号输入到地址发生器4040,4040顺序扫描存入EPROM 中的数据表,则代表正弦波幅值的8位二进制数被送到DAC0832,将数字量转换成模拟量输出。
周而复始,产生一串阶梯正弦波形。
由于DAC0832为电流型器件,因此必须与运算放大器连接,构成D/A 转换器。
3 关键电路参数设计锁相环CD4046是整个电路关键器件之一,其锁定范围和外围电阻R 1、R 2及电容C 1有很大关系。
R 3和C 2构成了锁相环CD4046B 的外接低通滤波42器。
3.1 CD4046B 的外接电阻R 1、R 2的外接电容C 1的设计当无须R 2的补偿,即R 2为无穷大时,锁相环的输出频率范围从零到最高输出频率f omax ,且: f omax =1R 1(C 1+32p F )(2)此时f omin =0。
在特定的使用状态下,若要限制锁相环的输出频率范围,可通过R 2的补偿作用来实现。
锁相环输出频率f o 的估算式[2]为:f o =18C 1V t -V GS R 1+V D -2V TP R 2(3)式(3)中,V t 的幅值正比于基准电压方波信号和锁相环比较信号之间的相位差,V GS 和V TP 分别为锁相环内部MOS 管的栅2源极压降,V D 为锁相环工作电压。
因为本电路要求锁相环的输出频率经过450分频后为50Hz ,即锁相环必须锁定在22.5kHz 附近,故可取R 1=10kΩ,R 2=∞,C 1=1000p F 。
3.2 CD4046B 低通滤波器R 3、C 2的设计适当选择R 3和C 2,对改善环路捕捉性能及工作稳定性有很大作用。
若取较大的时间常数R 3C 2,则会在环路跟踪较快变化的输入频率时,引起过度的延迟;若取较小的时间常数R 3C 2,则会在环路跟踪快速变化的输入信号时,引起锁相环输出频率的反常变化。
综合考虑,选择R 3=100k Ω,C 2=2μF 。
4 试验结果与电网电压同步基准正弦电路设计实例:输入电压=220V ±10%50Hz ;输出基准电压=0～15V (峰值)50Hz ;锁相环芯片CD4046B ;地址发生器4040;EPROM27C64;数模转换芯片DAC0832;分频器4520、40175;单稳态触发器4528;C 1=1000p F ,C 2=2μF ,R 1=10kΩ,R 2=∞,R 3=100k Ω,R 4=R 5=R 6=10kΩ。
设计并研制成功的高频交流环节AC/AC 变换系统基准正弦电路试验结果如图7所示,其中图7a 与图7d 中的光滑正弦波形为该电路的实际输出波形。
由图7可见,该正弦基准电路具有输出电压与电网电压同步、T HD 小、幅值可调且不受电网电压波动影响等优点。
试验结果与理论分析一致。
(a )基准电压方波信号与基准正弦电压 (b )锁相环输出的时钟信号(c )锁相环比较信号与基准电压方波信号(d )电网电压与基准正弦电压图7 与电网电压同步的基准正弦电路试验波形5 结 论(1)高频交流环节AC/AC 变换系统基准正弦电压必须与电网电压同步;(2)与电网电压同步的基准正弦电路由电网电压取样和正弦波/方波转换电路、时钟信号产生电路、相位同步电路、正弦波幅值和极性控制电路、正弦波产生电路等5个部分组成;(3)该基准正弦电路具有与电网电压同步、T HD 小、幅值可调且不受电网电压波动的影响、简单实用、价格低廉等优点;(4)试验结果与理论分析一致。
参考文献:[1]陈道炼.高频交流环节AC/AC 变换器原理研究[Z].国家自然科学基金及江苏省自然科学基金申请报告,1999.[2]李成章,王淑芳.新型U PS 不间断电源原理与维修技术[M ].北京:电子工业出版社,1985.52高频交流环节AC/AC 变换系统基准正弦电路研究。