中心議題：

• 開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器的原理分析

解決方案：

• 開(kāi)關(guān)互補電路的設計
• 利用微處理器進(jìn)行智能控制和監控管理

1 引言

近年來(lái)，在國內電源學(xué)術(shù)界，交流穩壓器的研究?jì)热葜饕譃閮深?lèi)，一類(lèi)是開(kāi)關(guān)互補式，另一類(lèi)就是逆變補償式。開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器就是以自耦變壓器----繼電器抽頭式穩壓器為基礎，將電力電子開(kāi)關(guān)與傳統的繼電器觸點(diǎn)相結合，為電能的傳遞增加一個(gè)預設的電子通路，以便減少電流切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊和干擾，因為這種沖擊往往會(huì )損壞機械開(kāi)關(guān)、電子器件，甚至用電設備；逆變補償式交流穩壓器，是以補償型交流穩壓器為基礎，從輸入側取得交流電壓，經(jīng)過(guò)整流、高頻SPWM逆變、相位跟蹤和轉換產(chǎn)生幅值、相位、頻率均可變的交流補償電壓進(jìn)行穩壓，補償是無(wú)極的，補償精度高，響應速度快。

目前，這兩類(lèi)穩壓器的技術(shù)都不是很成熟，還沒(méi)有人對此進(jìn)行系統的闡述、分析和具體的設計。本文針對開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器,提出它的原理和設計方法，并按此方法研制出一臺10KVA的開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器，以期達到跟蹤前沿技術(shù)，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)系列開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器做好準備。

2 開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓電源工作原理

2.1 整機組成

本穩壓器由補償變壓器組合單元、繼電器單元、開(kāi)關(guān)互補電路、控制電路、過(guò)欠壓以及過(guò)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 穩壓部分的設計

穩壓部分可采用的形式有參數調整（諧振）型、自耦（變比）調整型、大功率補償型、開(kāi)關(guān)型。在這里，我們采用的是大功率補償型作為穩壓部分的主電路，利用繼電器改變自耦變壓器抽頭的方法，來(lái)給補償變壓器提供初級電壓。其中，互補開(kāi)關(guān)組合陣列采用的是繼電器并聯(lián)式接法。
2.1.2 開(kāi)關(guān)互補電路的設計

關(guān)互補電路實(shí)際上是繼電器的一個(gè)旁通電子開(kāi)關(guān)，采用兩只IGBT、兩只二極管構成的交流通路，是互補式交流穩壓器的主要技術(shù)點(diǎn),電路如圖3: 互補電路中IGBT承受的電壓、電流應力都較大，對IGBT的安全構成極大的影響。而互補電路工作成敗之關(guān)鍵，主要取決于IGBT能否安全工作，為了改善IGBT的開(kāi)關(guān)狀況和安全工作區域，適應互補式交流穩壓器所要求的負載特性，在設計時(shí)應注意以下幾個(gè)問(wèn)題：
1、通過(guò)合理的布線(xiàn)，盡量減小引線(xiàn)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(zhuān)用的輔助電源驅動(dòng)（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結導通而引起的短路；
3、IGBT的柵極驅動(dòng)采用電壓跟隨器的設計方式，同時(shí)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束時(shí)IGBT的反向電壓；
4、對IGBT的額定電壓、電流參數，選取時(shí)除按理論計算外，還要考慮適當的經(jīng)驗系數，使IGBT具有更大的安全工作區域；
5、雖然IGBT的導通時(shí)間極短，在正常工作時(shí)，熱量在還沒(méi)有傳出殼外時(shí)，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(shí)，其管芯溫度在允許結溫以下，從而確保IGBT不會(huì )因控制電路設計不當造成的損壞。
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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的開(kāi)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4-2為功率補嘗單元中的繼電器與其對應的開(kāi)關(guān)互補電路的工作波形和工作時(shí)序關(guān)系，從中我們可以知道，開(kāi)關(guān)互補電路是在繼電器動(dòng)作之前先導通，在繼電器完成動(dòng)作后再關(guān)斷，這是開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓電源成功的關(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及其對應的開(kāi)關(guān)互補電路S0、S1、S2、S3、S4、S5?？紤]到電網(wǎng)變化的隨機和無(wú)序性，設計時(shí)采用頂層設計、整體考慮的方法，來(lái)確定功率補償單元的工作時(shí)序。值得特別強調的是，開(kāi)關(guān)互補電路須采取先開(kāi)后關(guān)的方式工作，即在繼電器動(dòng)作（包括吸合和斷開(kāi)）之前，先讓開(kāi)關(guān)互補電路工作，待繼電器工作穩定后，再斷開(kāi)關(guān)互補電路，這是控制的關(guān)鍵所在，否則開(kāi)關(guān)補式交流穩壓器將失去意義。為及時(shí)判斷繼電器的切換狀態(tài)，特設計了雙光耦補償型電路，實(shí)現信號的鎖定，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(shí)的工作時(shí)序。 2.3 軟件的設計

在系統中，單片機擔負著(zhù)對輸入電壓的實(shí)時(shí)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。

系統接通市電，合上電源開(kāi)關(guān)后，單片機進(jìn)行初始化，延時(shí)2秒后，進(jìn)行輸入電壓檢測，若輸入電壓在允許范圍內，則根據電壓值進(jìn)行相應的電壓補償，否則補償電路不進(jìn)行任何動(dòng)作，但要相應的聲光告警；電壓調整完畢達到輸出標準后，自動(dòng)合上輸出交流接觸器，系統正常輸出。此時(shí)，單片機對輸出電壓進(jìn)行過(guò)壓檢測，一旦輸出電壓過(guò)高，則切斷輸出，以防輸出電壓過(guò)高而影響負載工作，在電壓恢復正常后，自動(dòng)合閘，輸出電壓。單片機還對輸入電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，只要市電發(fā)生變化，就進(jìn)入相應的電壓補償子程序，對補償電壓進(jìn)行調整。其流程圖見(jiàn)圖5。 [page]
3 實(shí)作結果

當輸入交流電壓幅值發(fā)生相同的變化時(shí)，比較圖6所示的兩種穩壓器輸出電壓波形可發(fā)現，有互補電路與沒(méi)加互補電路的電源輸出電壓波形，存在很大的差異：在A(yíng)圖中，沒(méi)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、不能提高功率因數的根本原因所在；而在B圖中，這一缺點(diǎn)得到明顯的改善，輸出電壓波形變得平滑，體現出了互補式交流穩壓電源的優(yōu)點(diǎn)。
其達到的主要技術(shù)指標如下：
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）、響應時(shí)間≤50ms
6）、正弦波失真度≤1.0%
7）、整機效率≥98%
8）、功率因數>0.95

4 結束語(yǔ)

本電源的研制成功，是在現代電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)技術(shù)相結合的基礎上，利用微處理器進(jìn)行智能控制和監控管理，研制開(kāi)發(fā)的一種新型高性能價(jià)格比的交流穩壓器，具有智能化、輕量化、高可靠性的特點(diǎn)。實(shí)踐證明，開(kāi)關(guān)互補式交流穩壓器的以上優(yōu)點(diǎn)以及它的低成本、高質(zhì)量的供電效果，必將使該種穩壓器具有廣闊的應用前景。