電力電子技術課程設計----pwm交流斬控技術的交流穩(wěn)壓電源設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來，有人把交流斬控技術應用到穩(wěn)壓電源領域，出現了斬控式交流穩(wěn)壓電路。這類電路的工作原理與直流斬波器相似，但輸入電壓和負載電壓均為交流。因此電子開關必須是雙向的，直流斬波電路中經常用到的續(xù)流二極管在這里也不能采用，續(xù)流作用也要靠交流電子開關來實現。</p><p>　　目前的調壓器大多數為傳統(tǒng)的相控式交

2、流調壓器，采用的開關器件為晶閘管。它們的優(yōu)點是：控制電路簡單、功率容量大；缺點是：當控制角增大時，功率因數減小，電流中諧波的幅值相對大，濾波器的體積大。而本文所研究的PWM型斬控式交流穩(wěn)壓電路可以較好地克服上述缺點，在PWM方式中，開關模式是雙向的，且當兩個開關均關斷時，需要提供一個續(xù)流回路。在許多電路拓撲中，裝置續(xù)流回路是用另外的取向開關來實現的。新型的PWM斬控式穩(wěn)壓電源電路只采用帶有RC旁路緩沖電路的標準開關。然而，RC的功耗給系

3、統(tǒng)帶來了很大的負擔。本文首先就提出了交流調壓器的一種拓撲。這種拓撲通過巧妙的PWM開關模式，提供了開關安全轉換的條件，而沒有高電壓尖峰，用輸入或者輸出電壓的極性來決定開關模式。采用了含有兩個開關和兩個續(xù)流二極管的標準功率開關模塊。其電路拓撲的優(yōu)點：功率因數高、諧波少、效率高、可靠性高、動態(tài)過程快、容易實現、容量大、濾波器體積小等。</p><p>　　本設計利用PWM交流斬控技術,對傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓電源進行了改進,

4、使其性能照以往的穩(wěn)壓電源有了很大的提高。</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p><b>　　1．1應用背景概述</b></p><p>　　隨著高新技術的發(fā)展，越來越多的高精密負載對輸入電源，特別是對交流輸入電源的穩(wěn)壓精度要求越來越高。但是，由于電力供求矛盾的存在，市電電網電壓的波動較大，不能滿

5、足高精密負載的要求。</p><p>　　由于此現狀的出現，交流穩(wěn)壓技術的發(fā)展便倍受廣大電力用戶和生產廠商的關注，其原因在于我國市場上現有的各種交流電力穩(wěn)壓產品，在技術性能上還存在較大欠缺。</p><p>　　在我國應用較早，且用戶最廣的交流電力穩(wěn)壓電源當屬柱式（或盤式）交流穩(wěn)壓器，雖然這種穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點，但由于它是用機械傳動結構驅動碳刷（或滾輪）以調節(jié)自耦變壓器抽頭位置的方法進行穩(wěn)

6、壓，所以存在工作壽命短，可靠性差，動態(tài)響應速度慢等難以克服的缺陷。</p><p>　　近年來不少生產廠家針對柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點，紛紛推出無觸點補償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢。這種電源實質上仍然是采用自耦方式進行調壓，所不同的只是通過控制若干個晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個固定抽頭的組合方式，來代替通過機械傳動驅動碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性

7、和動態(tài)響應速度，但卻失去了一個重要的調節(jié)特性——平滑性，即調節(jié)是有級的，其必然結果是穩(wěn)壓精度低（一般只有3％～5％），并且在調節(jié)過程中，當負載電流很大時會沖擊電網并產生低頻次諧波分量，對負載也會產生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺，即一臺自耦變壓器，一臺補償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。</p><p>　　1．2 PWM控制技術簡介</p><p>　　脈

8、寬調制技術(即PWM技術)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。</p><p>　　PWM控制的思想源于通信技術，全控型器件的發(fā)展使得實現PWM控制變得十分容易。PWM技術的應用十分廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的成功應用，才確定了它在電力

9、電子技術中的重要地位。</p><p>　　PWM控制電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓，改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制，這是PWM控制中最簡單的一種情況</p><p>　　PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數字形式的，無需進

10、行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或將邏輯0改變?yōu)檫壿?時，也才能對數字信號產生影響。 </p><p>　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。</p>

11、<p>　　第二章 PWM交流斬控技術的的交流穩(wěn)壓電源具體設計</p><p>　　2．1 PWM控制的基本原理</p><p>　　采樣控制理論中有這樣一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。PWM控制技術就是以該結論為理論基礎，對半導體開關器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波

12、或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小。例如圖2-1a,b,c所示的三個窄脈沖形狀不同,其中圖2-1a為矩形脈沖,圖2-1b為三角形脈沖,1c為正弦半波脈沖,但它們的面積(即沖量)都等于1,那么,當它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時,其輸出響應基本相同.當窄脈沖變?yōu)閳D2-1的單位脈沖函數(t)時,環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖寬度函數.</p><p><b&g

13、t;　　圖2-1</b></p><p>　　圖2-2a的電路是一個具體的例子.圖中e(t)為電壓窄脈沖,其形狀和面積分別如圖1的a,b,c,d所示,為電路的輸入.該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上,設其電流i(t)為電路的輸出.圖2-2b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應波形.從波形可以看出,在i(t)的上升段,脈沖形狀不同時i(t)的形狀也略有不同,但其下降段則幾乎完全相同.脈沖越窄,各i(t

14、)波形的差異也越小.如果周期性地施加上述脈沖,則響應i(t)也是周期性的.用傅里葉級數分解后將可看出,各i(t)在低頻段的特性將非常接近,僅在高頻段有所不同.</p><p>　　上述原理可以稱之為面積等效原理,它是PWM控制技術的重要理論基礎.</p><p>　　下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波.</p><p>　　把圖2-3a的正弦半波

15、分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形.這些脈沖寬度相等,都等于/N,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化.如果把上述脈沖序列利用相同數量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合,且使矩形脈沖和</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　相應的正

16、弦波部分面積(沖量)相等,就得到圖2-3b所示的脈沖序列.這就是PWM波形.可以看出,各脈沖的幅值相等,而寬度是按正弦規(guī)律變化的.根據面積等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的.對于正弦波的負半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形.像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱SPWM波形.</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>

17、;　　要改變等效輸出正弦波的幅值,只要按照同一比例系數改變上述各脈沖的寬度即可.</p><p>　　PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種.由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波.如直流斬波電路及PWM逆變電路,其PWM波都是由直流電源產生,由于直流電源電壓幅值基本恒定,因此PWM波是等幅的.不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波,都是基于面積等效原理來進行控制的,因此其本質是相同的.</p&

18、gt;<p>　　上面所列舉的PWM波都是由PWM電壓波.除此之外,也還有PWM電流波.例如,電流逆變電路的直流側是電流源,如對其進行PWM控制,所得到的PWM波就是PWM電流波.</p><p>　　直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形,SPWM波得到的是等效正弦波形.這些都是應用十分廣泛的PWM波.PWM控制技術實際上主要是SPWM控制技術.除此之外, PWM波形還可以等效成其他所需要的波形

19、,如等效成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也是基于等效面積原理.</p><p>　　2．2 PWM交流斬控調壓原理</p><p><b>　　圖2-4</b></p><p>　　圖2-4（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開關S1為斬波開關，S2為考慮負載電感續(xù)流的開關，二者均為全控開關器件與二極管串聯組成的

20、單相開關[見圖2-4（b）]。S1及S2不允許同時導通，通常二者在開關時序上互補。定義輸入電源電壓u的周期T與開關周期Ts之比為電路工作載波比Kc，（Kc=T/Ts）。圖2-4（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運行時的輸出電壓波形。顯然輸出電壓uo為：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中：E（t）為開關函數，其波形示于圖2-4（c），函數由式（2

21、）定義。</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　在圖2-4（a）電路條件下，則</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　E（t）函數經傅立葉級數展開，可得</p><p><b>　　(4)</b><

22、;/p><p>　　式中：D=ton1/Ts，ωs=2π/Ts，θn=nπ/Ts；</p><p><b>　　D為S1的占空比；</b></p><p>　　ton1為一個開關周期中S1的導通時間。</p><p>　　將式（4）代入式（3）可得：</p><p><b>　　(5)<

23、;/b></p><p>　　式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開關頻率及其整數倍兩側±ω處分布，開關頻率越高，諧波與基波距離越遠，越容易濾掉。</p><p>　　在經LC濾波后，則有：</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之

24、比定義為調壓電壓增益，即：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　由此可見電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達到調壓的目的。</p><p>　　2．3 控制方案設計及原理分析</p><p>　　一般情況下，PWM交流斬控調壓器的控制方式與主電路模型、電路結構及相數有關。</p&

25、gt;<p>　　若采用互補控制，斬波開關和續(xù)流開關在換流過程中會出現短路，產生瞬時沖擊電流；如設置換相死區(qū)時間，又可能造成換相死區(qū)時間內二個開關都不導通使負載開路，在有電感存在的情況下，會產生瞬時電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式，如圖2-5所示。對相數而言本方案采用三相四線制，即用三個單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。</p><p>&

26、lt;b>　　圖2-5</b></p><p>　　由圖2-6可見，V1，VD1與V2，VD2構成雙向斬波開關，Vf1，VDf2與Vf2，VDf1構成雙向續(xù)流開關；Lof及Cof分別為濾波電感、電容；u1為補償變壓器初級繞組兩端電壓，u2為向主電路補償的電壓。本方案采用了有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式。圖2-6為在RL負載下，這種非互補的斬波開關和續(xù)流開關門極驅動信號的時序配合及一個電源周

27、期中輸出電壓的理想波形。</p><p>　　由圖2-6可見根據負載電壓電流相位，一個電源工作周期可分為4個區(qū)間.</p><p>　　上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達式表示為：</p><p><b>　　（8）</b></p><p>　　當U>0時，U=1；當U<0時，U=0;同理當>0和>0時，

28、=1，=1；當<0和<0時，=0，=0。</p><p><b>　　圖2-6</b></p><p>　　為保證電源滿足負載特性的要求及運行可靠性,本設計采用了圖2-7所示的控制電路結構。</p><p><b>　　圖2-7</b></p><p><b>　　結論<

29、/b></p><p>　　通過對上述設計的分析研究，我大體了解了PWM在穩(wěn)壓電源調壓方面的重要作用。采用電壓、電流相位檢測的非互補控制方式可以實現對交流穩(wěn)壓電源的電壓調節(jié)。體會到了PWM交流斬控技術用于交流穩(wěn)壓電源的巨大優(yōu)勢。它可以顯著提高交流穩(wěn)壓電源的技術性能并據此總結了如下幾個主要特點：</p><p>　　(1)可采用全固態(tài)器件，真正做到了無觸點、無抽頭，因而可靠性高、工作壽

30、命長；</p><p>　　(2)平滑調節(jié)，輸出無級差，對電網及用戶無沖擊，不會產生低頻次諧波干擾；</p><p>　　(3)輸出精度高，實際精度可達到0.5%，即便在正補償和負補償變換瞬間，輸出電壓波動也不會超過額定電壓的1%；</p><p>　　(4)動態(tài)響應速度快，最快可達到ms級；</p><p>　　(5)沒相只需一臺變壓器，因

31、而重量輕、自身功耗?。?lt;/p><p>　　(6)負載無選擇性，對感性、阻性、容性負載都適用。</p><p>　　上述特點正是本設計所要實現的目標，通過以上諸多特點的描述不難看出，本設計課題正是PWM斬控技術在交流穩(wěn)壓電源領域的一個很好的應用，具有極大的發(fā)展空間。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p

32、>　　很快，一周的課程設計就結束了，在這一周里面通過設計使自己對電力電子技術這門課程有了更進一步的了解，尤其是對PWM控制技術這部分有了更為深刻的印象，對這個電路的工作原理，電壓電流波形有了更深一步的認識，還有相關器件的使用方法。以前根本就不了解，通過設計使我對采用PWM斬控技術實現穩(wěn)壓電源的控制有了進一步了解，這些都是課堂上我們學不到的。許多東西教科書上提到的很少必須自己找些課外書，這讓我有了平時喜歡去圖書館翻閱一些指導書的習慣

33、，這一切都為將來畢業(yè)設計作好鋪墊，為將來的就業(yè)積累寶貴經驗。</p><p>　　通過此次課程設計，我深刻體會到了自己知識的匱乏。深深感覺到自己儲備知識的不足，知道了自己原來所學的東西只停留在表面性的，理論性的，而且是理想化的階段。根本不知道在現實中還存在有很多問題。以為電力電子是門簡單的學科，殊不知所要考慮的問題，要比考試的時候考慮的多的多。所以，一開始，我遇到了很多麻煩。不過通過老師和同學們的幫助，我漸漸有了

34、眉目。這也在很大程度上提高了我獨立思考問題的能力。</p><p>　　在此，我要感謝指導我完成課設的老師和幫助我的同學。在設計中遇到了很多問題和困難。是你們不厭其煩的解答才使我比較順利的完成本次課程設計。 </p><p>　　非常感謝院電力電子技術研究所各位老師的耐心輔導以及同學們的熱心幫助。我衷心的感謝各位老師，尤其是xx老師在此次課程設計中給予的大力幫助，在此向您道一聲辛苦了！&l

35、t;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 阮新波，嚴仰光編著，脈寬調制DC/DC全橋變換器的軟開關技術，北京：科學出版社.1999</p><p>　　[2]王聰主編，軟開關功率變換器及其應用，北京：科學出版社. 2000.1</p><p>　　[3]王兆安、黃俊主編, 電力電子技術.第四