交流调压

高频斩波式交流调压电源

说明书

前言

1．课题来源

单相交流电源的应用是非常广泛的。比如在农村、轻工业、家用电器等小功率传动领域以及电力机车供电系统。对于单相交流电源，调压和稳压是最为普遍的要求。目前能够实现这一要求的调压器有下面三种：

1)磁饱和式调压器该调压器通过控制主电路中电感的饱和程度，以改变电抗值以及其上的电压，实现对输出电压的调节。这种调压器具有一定的动态性能，但输出电压的调节范围小，体积和重量较大。

2)机械式调压器机械式调压器由电动机带动碳刷实现输出电压的调节。这种调压器输出波形较好，但体积、重量大，动态性能差。

3)电子式调压器这种调压器采用电力电子器件实现。目前有晶闸管凋压器和逆变式调压器两种。晶闸管调压器采用的是相控方式，因此其输出波形差；逆变式调压器采用的是斩波控制方式，其输出波形和动态响应较好。

从上面可知，逆变式电子调压器具有最好的性能。逆变式电子调压器的结构不仅具有调压、稳压的能力，而且还可以实现频率的变换。它是通过AC/DC/AC变换实现的。具有中间直流环节——储能电容和变换效率低是它的不足。

2、解决方法

随着现代电力电子技术的发展，单相电源变换技术也有了很大的进步，先后出现了多种利用全控器件的交—交直接变换方案。本文基于矩阵式变换理论，提出一种矩阵式单相电源变换电路，该电路只使用两个双向开关管，可以实现输出电压连续可调及获得高正弦度的输入电流波形。

采用单相—单相矩阵式电力变换。通过一组开关函数可以将输入的工频交流电压转换成幅值和频率均可调的单向交流电压。

3、优势

本文提出采用MOSFET的斩波式交流调压器。使该调压器具有调节方便、动态响应快、对电网谐波污染小、装置功率因数较高等优点。用于交流电压的调节和控制，有更好的性能和应用前景。

一、系统工作原理

1、高频交流斩波调压的基本原理

交流斩波调压的原理波形如图1所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，得到边缘为正弦波、占空比可调的电压波形。该电压的调制频率f0，其基本谐波频率为土50Hz。改变占空比，即可改变输出电压。利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地构成交流斩波调压电路。

2、系统工作原理

其工作原理为：利用固定占空比的PWM脉冲波驱动Q3，将等宽的电源脉冲电压施加到变压器的原边，同时利用过零信号驱动Q1和Q2，实现变压器的原边电流续流。只要输出滤波器参数设计合理，就可以得到高正弦度的输出电压波形，开关频率越高效果越好。这种变换器的设计难点在于双向可控开关Q1与Q2之间的是否能够安全切换。因为开关并非理想特性，在二者之间换流时存在电源直通与变压器原边开路的可能性，而这两点是不期望的。为此必须在二者切换时采取安全换流策略。

只需要利用电压传感器准确快速地检测电源电压极性来确定扇区，而不需要电流传感器检测变压器原边电流的极性。当然，传感器要有良好的线性度、快速性和光电隔离，由于电源电压很稳定，其过零点的检测比较准确可靠。扇区之间的切换不需要特别考虑，因为切换点只出现在电源电压过零点，切换时只要保证变压器原边续流路径即可。

二、电路设计

1、 主电路

主回路由Ql —Q3和D1—D3组成的全控整流电路实现对交流输入电压的轿波调压。当交流输入电压正半周时电流流经VD1、Q3、VD3；负半周时，电流流经VD2、Q3、VD4、；Q3始终处于正向电压作用下，当在Q3源栅极之间加入触发信号时，Q3处于开关状态。调整加在栅极上的脉冲宽度即可调节输出电压的大小。由于Q3处于开关状态，且VMOS 管具有很小的关断时间，只要适当选择较低的饱和压降，Q3的功耗可以做得很小，所以该斩波调压具有较高的效率。考虑到负载可能为感性的，加了由Q1、Q2及D1、D2组成的续流环节。当Q3关断时，在电压正半周 ，Q2导通，Q1关断，流经负载的电流通过Q2、D1续流。在电压负半周 ，Q1导通，Q2关断，流经负载的电流通过Q1、D2续流。为防止Q1、Q 2、Q3同时导通而引起较大的短路电流，对加在Q1和Q2上的触发信号有一定要求，这在过零触发电路中讨论。图中L1、C1为电源滤波网，以吸收瞬态过程中的过电压，并减少对外线路的干扰。L2、C2为输出滤波环节，由于本机调制频率取得较高，所以L2和C2只需很小值即可。其中每个VMOS 管都有保护装置。

L2

出

其中Q3的PWM 波控制由PWM 波发生器通过对给定的调整产生，输出占空比一定的PWM 波。

2、过零检测及续流触发电路

如下图所示，交流电压经过变压器变压，因交流信号有正向过零点和负向过零点，故运用一个正向比例器与反向比例器进行两零点与标准零点电压的比较，其输出信号经过光控隔离进行稳压和放大后，分别控制续流装置中的MOSFET 管控制端。

为了防止Q1、Q2两个同时开通，我们采用了互锁，就是说Q1、Q2管不可以同时导通，在正半波，开通Q2管续流；在负半波，开通Q1管续流。

三、谐波分析

由于是感性负载，又不能像直流斩波那样加续流回路，所以要给IGBT 加开通和关断缓冲电路。高频交流开关控制采用了EPWM 直流等电位调制技术。为使波形半波奇对称和四分之一偶对称，以消除付里叶级数中的余弦项和偶次谐波，使载波比c

s c f K K f f N ,,3,2,1,4 ===

为三角波

频率，s f 为市电工频；调制t

U U T t M c

∆∆∆=∆

∆=

,为脉冲宽度，c

f T 1=∆为三角波周期、c U 为三角波

幅值、U ∆为输出电压的偏差、三角波电压的方程式为：

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧≤≤----≤≤----=∆

∆∆∆∆

∆∆∆T i T i T i t T U T i t T i T i t T U u c c

c 2

12),212(22

12)1(),212(2

,3,2,1=i

输出电压偏差U ∆为采样电压，触发脉冲起点i t 和终点1+i t 的方程式为： U

U T T i t U T i t T U c i i c ∆-

-=

∆=--

-

∆∆∆∆

22

12,)212(2

U

U T T i t U T i t T U c

i i c ∆+

-=

∆=--∆∆+∆+∆

22

12,)2

12(211