交流稳压电源的设计带总电路图毕业设计

交流稳压电源的设计带总电路图毕业设计
目录
引言 (1)
1 电源技术概述 (2)
1.1现代电源技术的应用领域 (2)
1.2电源的发展趋势 (5)
1.3交流电源分类 (7)
2 稳压电源总体设计方案 (9)
2.1 设计概述 (9)
2.2 研究内容 (9)
2.3 技术指标 (9)
2.4 交流稳压电源的总体方案设计 (9)
2.4.1 单相交流稳压电源的基本原理 (10)
2.4.2 交流调整电路 (10)
2.4.3 双向可控制硅的选用 (11)
2.4.4 双向可控硅导通模式与对应的补偿电压 (13)
2.4.5 双向可控硅短路报警 (14)
3 稳压电源硬件系统设计 (16)
3.1 硬件系统的整体框架 (16)
3.1.1 主回路 (16)
3.1.2 控制电路 (16)
3.2 双向可控硅触发电路 (17)
3.2.1 MOC3061 (17)
3.2.2 触发电路 (17)
3.3 保护电路 (19)
3.3.1 保护电路原理 (19)
3.4 辅助直流稳压电源设计 (21)
3.4.1 +5V直流稳压电源 (21)
3.4.2 +12直流稳压电源 (21)
4 单片机系统设计 (22)
4.1 主程流程图 (22)
4.2 采样子程序流程图 (23)
4.3 数字滤波程序流程图 (24)
4.4 电压采样电路 (25)
4.4.1 ADC0809的特性 (25)
4.4.2 ADC0809的内部结构及引脚功能 (26)
4.4.3 采样电路 (29)
4.5 系统控制电路 (29)
5 结论 (33)
6 经济分析报告 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
附录A 总电路图 (39)
引言
随着电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，而交流稳压电源的出现解决了这一问题。

车站信号电源屏从功能上分为调压、转换(包括2路电源转换和输出转换)、输出(包括交流输出和直流输出)几部分,其中稳压部分是电源屏质量的关键。

目前铁路车站现场应用的电源屏稳压部分其最主要的缺点是响应速度慢,在两路电网转换过程中容易产生过压或欠压;有机械磨损,易损坏;输出失真大。

随着技术进步,继电式设备正逐步被电子设备所取代,设备对电源质量要求越来越高。

稳压电路具有效率高、可靠性高、抗干扰能力强。

补偿变压器功率较小,从而明显降低材料成本及功率损耗,达到提高效率,减小重量体积的目的。

微机控制使控制电路大大简化,还可加入辅助功能,如故障诊断、稳压指示、超限声光报警、延时启动、故障检测、缺相保护等各种功能。

通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。

高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。

在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。

一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。

目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。

近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。

对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。

在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。

高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心。

1 电源技术概述
1.1现代电源技术的应用领域
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。

上世纪80年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。

接着开关电源技术相继进入了电子、电器设备领域。

计算机技术的发展,提出了绿色电源。

绿色电源系指高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星”计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电源的要求。

提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。

就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50W的能源。

1.1.1通信用高频开关电源
通信用高频开关电源就是通过电路控制开关管进行高速的道通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多．所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。

1.1.2直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ton(通用)，二是频率调制。

这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。

用直流斩波器代替变阻器可节约电能20%~30%。

直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

通信电源的二次电源DC／DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W—20W／in3。

随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源
模块，功率密度有较大幅度的提高。

1.1.3不间断电源(UPS)
UPS（Uninterruptible Power System ），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。

主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。

当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS 立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

UPS 设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。

不间断电源(UPS)是计算机、．通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。

交流电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。

由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。

1.1.4变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。

变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。

工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。

1.1.5高频逆变式整流焊机电源
变频电源是将市电中的交流电经过AC→DC→AC变换, 输出为纯净的正弦波，输出频率和电压一定范围内可调。

它有别于用于电机调速用的变频调速控制器，也有别于普通交流稳压电源。

理想的交流电源的特点是频率稳定、电压稳定、内阻等于零、电压波形为纯正弦波（无失真）。

变频电源十分接近于理想交流电源，因此，先进发达国家越来越多地将变频电源用作标准供电电源，以便为用电器提供最优良的供电环境，便于客观考核用电器的技术性能。

变频电源主要有二大种类：线性放大型和SPWM开关型。

1.1.6大功率开关型高压直流电源
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。

50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合，整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。

由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。

采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。

国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压60~75V，电流调节范围5~300A，重量29kg。

1.1.7电力有源滤波器
电力有源滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以只补谐波不补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；该装置的主要缺点是复杂、成本高，限制了它的使用。

电力有源滤波器的研究与应用，国内有源电力滤波器在技术研究虽然与国内有一定的差距，但近几年在技术已取得突破性的进展。

国内已有多家公司提出了APF产品，并在工业领域取得了成功的应用，如西安萨博、英纳仕电气等。

但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。

1.1.8大功率开关型高压直流电源
高压直流电源有着广泛的应用领域，电力系统中广泛的用于高压电气设备的直流耐压和泄露试验，如电力系统避雷器，电力电缆，变压器绕组及发电机的现场试验；工业中用于环保的静电除尘，污水处理，激光器等；医学方面用于X 光机，CT等大型设备；科研上用于高能物理，等离子物理；军事上雷达发射器，脉冲点火技术等。

1.2电源的发展趋势
1.2.1小型、薄型、轻量化
使电源小型化的具体办法有：一是高频化。

为了实现电源高功率密度，必须提高PWM 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。

应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。

压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压- 振动”变换和“振动- 电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。

三是采用新型电容器。

为了减小电子设备体积和重量，提高能量密度，研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器。

四是同时采用SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。

1.2.2可靠化
开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，对于电力电子装置，元器件数量越多，发生故障的机率越大，装置的可靠性越低。

从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。

追求寿命的延长要从设计方面做工作。

美国一公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF 高达100 万h 以上。

1.2.3效率化
为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。

而高频化又必然使传统的PWM 开关功耗加大、效率降低、噪声提高，且达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品的发展方向。

采用软开关技术可使效率达到85%~88%。

据悉，美国VICOR 开关电源公司设计制造了多种ECZ 软开关DC/DC 变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为101.60 W/cm3、160.38 W/cm3 和278.58 W/cm3，效率为80%~90%；日本Nemic-Lambda 公司推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM 系列，开关频率为200~300 kHz，功率密度为442.45W/cm3，用同步整流器（即用MOS-FER 代替肖特基二极管）使整个电路效率提高到90%。

1.2.4模块化
在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与
控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。

近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。

在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。

上世纪90 年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，产品设计中提高了集成度，出现了集成电力电子模块（IPEM）。

IPEM 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。

目前，可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

无论是AC/DC 或是DC/DC 变换器都是朝着模块化方向发展，特点是：可用模块电源组成分布或电源系统；可以设计成N+1 冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式结构，实现热更换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并用可实现大功率电源系统。

此外，还可在电源系统建成后，根据需要扩充容量。

1.2.5绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。

事实上,许多电子节电设备,往往会变成对电网的污染源::向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。

20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。

这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。

在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。

为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总而言之,开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。

开关电源高频化、模块化、数字
化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。

开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。

还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1.3交流电源分类
①铁磁谐振式交流稳压器：利用饱和扼流圈和相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。

磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。

它结构简单,制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠,过载能力较强。

但波形失真较大，稳定度不高。

近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压作用的电源装置。

它和磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同，而基本工作原理则相同。

它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重作用，所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。

②磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。

其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。

这类稳压器带有反馈控制的闭环系统，所以稳定度高，输出波形好。

但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。

又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。

③滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。

这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。

但稳定度较低，恢复时间较长。

④感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交流电压获得稳定的装置。

它在结构上类似线绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。

它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。

但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。

另因铜、铁用料多，故较少生产。

⑤晶闸管交流稳压器：用晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。

它具有稳定度高、反应快、无噪声等优点。

但因对市电波形有损害，对通信设备和电子设备造成干扰。

随着电源技术的发展,80年代又出现了下列3种新型交流稳压电源：
①补偿式交流稳压器：又称部分调整式稳压器。

利用补偿变压器的附加电压串接
在电源和负载之间,随着输入电压的高低,用断续式的交流开关（接触器或晶闸管）或用连续式的伺服电动机来改变附加电压的大小或极性，把输入电压高出部分(或不足部分)减去(或加上)，从而达到稳压目的。

补偿变压器容量仅为输出功率的1/7左右,具有结构简单、造价低廉的优点，但稳定度不高。

②数控式交流稳压器和步进式稳压器：由逻辑元件或微处理机构成控制电路，按输入电压高低转换变压器初级匝数，使输出电压获得稳定。

③净化式交流稳压器：由于具有良好的隔离作用，能消除来自电网的尖峰干扰而得到应用。

2 稳压电源总体设计方案
2.1 设计概述
目前对直流小功率恒流方法的研究较多,而对交流恒流方法的研究较少。

交流稳流主要采用如下方法:(1)用具有反馈系统的可控硅调相电路来实现稳流,但因为是调整截止角,将使正弦波严重畸变。

(2)采用反馈系统控制伺服电机,调节自耦调压器组成的电路来实现稳流,但由于电机和传动系统的机械惯性调整速度较慢且易产生振荡,难于实现稳定的调节。

(3)以铁磁元件为调整元件(磁放大器)的稳流线路,它的不足之处是:因为磁惯性大响应时间较长;磁系统会产生严重的波形畸变;系统的功率因数低
2.2 研究内容
课题应能设计出一种以电子开关为执行机构来控制多组变压器叠加的主回路补偿工作方式并和可控硅无级调节补偿绕组串联的一种最新颖的交流稳压电源，它具有稳压精度高、效率高、响应快、带负载能力强、电源波形失真小、无机械传动装置和碳刷磨损、免维护、工作可靠、噪音低、抗干扰能力强、并具有延时、过压、欠压保护功能。

2.3 技术指标
输入稳压范围：单相187V－253V
频率50Hz±2Hz
输出电压220V±1%
源电压效应≤±1%
负载效应≤±1%
波形失真≤5%（附加）
输出功率 5kw
效率≥90%（满载）
欠过压保护 Vo≤186V或Vo≥254V
2.4 交流稳压电源的总体方案设计
2.4.1 单相交流稳压电源的基本原理
图2.1为补偿式交流稳压器电路原理结构框图。

图中，由补偿变压器等组成补偿单元，用双向可控硅作开关器件组成无触点可控调节单元，控制电路由A/D 转换(采样)、单片机控制器、报警指示单元及保护单元组成。

当输入电压Ui 波动或负载电流变化时，通过采样变压器获取反馈电压，经A/D转换输入单片机与基准值进行比较，由微机程序软件进行判断处理，输出控制指令。

在电压过零同步脉冲的作用下，使相应的开关器件导通，切换对应的补偿变压器的组合绕组，改变补偿电压的值，从而快速地达到稳定输出电压Uo的目的。

图2.1补偿式交流稳压器原理框图
当Ui<Uon，时(Uon为额定电压220V )，Ui提供正补偿;当Ui>Uon时，Ui 提供负补偿: 当Ui=Uon时,Ui不提供补偿电压。

所以，一旦电网输入电压Ui偏离额定电压Uon时，单片机控制单元便调节双向可控硅的开关状态，来控制补偿变压器TRi (i=1,2,3,4)的Ui的补偿方式。

2.4.2 交流调整电路
补偿变压器的选择
根据稳压精度及输入电压范围的要求来选择补偿变压器的台数，本文选择4台。

图2.2给出了交流调整电路中的交流调整电路。

图中，TR1 , TR2, TR3，TR4是四个独立的补偿变压器，其初级绕组上输入电压为Uon( 220V )，其次级绕组上的补偿电压可以根据稳压精度的需要，设计为 2.2V, 4.4V, 8.8V，17.6。

当顺极性(或反极性)叠加全部投入时，可以获得最大正负补偿电压为33V。

当Us 最小值为2.2V时，稳压精度可优于1%。

根据补偿变压器的一次侧电压和二次侧电压，结合整个电源的输出功率，就可确定各个补偿变压器的功率。

本文输出功率为5KW，则所有的补偿变压器输出功率都选为略大于5KW，可以选择6KW。

(1)补偿变压器TR1:
其一次侧电压为220V，二次侧电压为2.2V;则其输出功率为:
Pb1=(2.2v/220v)*6kW=60W
(2)补偿变压器TR2:
其一次侧电压为220V，二次侧电压为4.4V;则其输出功率为:
Pb2=(4.4v/220v)*6kW=120W
(3)补偿变压器TR3:
其一次侧电压为220V，二次侧电压为8.8V;则其输出功率为:
Pb3=(8.8v/220v)*6kVA=240VA
图2.2 交流调整电路
(4)补偿变压器TR4:
其一次侧电压为220V，二次侧电压为17.6V;则其输出功率为:
Pb3=(17.6v/220v)*6kw=480W
因此，四台补偿变压器的输出功率依次为:60W,120W,240W，480W。

2.4.3 双向可控制硅的选用
交流调整电路中，所用开关器件的数目与补偿变压器的数目有关。

其规律是: 开关器件的数目=补偿变压器的台数*2+2
其中后面的+2，即公用桥臂上的两只开关器样，它与补偿变压器的台数无关。

如图2.3所示，只需要10个双向可控硅。

S1和S2 ，S3和S4，S5和S6，S7和S8，分别为四台补偿变压器初级绕组端的控制开关，S9和S10则是作为公共桥臂进行工作。

整个交流稳压电源系统，因为接入补偿变压器的不同,流经每组可控硅的最大电流随之不同。

具体情况如下:Po=Uo*Io Io=Po/Uo=5KW/220V（次
级），I1=Io*2.2/220（初级），如图2.3：
图2.3 初级绕组端的控制电路
(1) S1和S2:
只接入补偿变压器TR1，其补偿电压为2.2V，则
Imax=(2.2V/220V)*(5kVA/220V)=0.227A
(2) S3和S4:
只接入补偿变压器TR2，其补偿电压为4.4V，则
Imax=(4.4V/220V)*(5kVA/220V)==0.454A
(3) S5和S6:
只接入补偿变压器TR3，其补偿电压为8.8V，则
Imax=(8.8V/220V)*(5kVA/220V)=0.908A
(4) S7和S8
只接入补偿变压器TR4，其补偿电压为17.6V，则。