斬控式交流調壓實驗的設計

摘 要:隨著科學技術的飛速發展，現有的電力電子技術實驗裝置已經不能適應社會發展的要求。結合實驗教學改革，對研發既能體現新的控制技術和科研成果，又能很好地滿足關鍵知識點驗證的實驗項目，進行了有效的嘗試。在此主要介紹研發本實驗裝置的背景，敘述了斬控式交流調壓電路的結構，并闡述了實驗裝置的設計構想和設計結果。

關鍵詞:電力電子; 交流調壓; 實驗裝置; 斬波控制

中圖分類號:TN911.7; TP368.1 文獻標識碼:A 文章編號:1004-373X(2010)14-0208-03

Design of Chopping AC Regulating Experimental Equipment

WANG Zhi-qiu

(College of Electromechanical Engineering， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China)

Abstract: With the continuous development of the electronics technology， the existing experimental devices of power electronics have been unable to meet the requirement of the modern social development. In response to the reform of experimental teaching， new experimental devices were investigated based on old experimental platform. The devices contain new control technology， new achievements in scientific research and key knowledge about power electronics. The background of developing the experiment equipment is introduced， the structure of the chopping AC regulator is explained， and the design idea and results are given.

Keywords: power electronics; AC regulation; experimental device; chopping control

0 引 言

《電力電子技術》是一門注重實驗和應用的專業基礎課程，它融電機與拖動控制、傳感器及信號處理、計算機控制技術等多學科知識于一體，形成獨特的交叉綜合體系。電力電子技術實驗應包含4大基本電路和2大控制技術的基本實驗，還應包含綜合各學科的開放型、綜合型實驗。

青島農業大學電力電子技術實驗室實驗室始建于2002年，實驗設備陳舊，實驗項目單一，由于保護措施不夠完善，損壞率較高。而另一方面，隨著學校實驗教學改革的不斷深入，教師直接參與實驗室的管理、設備維護和新實驗項目的研發，極大地改善了實驗室的教學和教研環境。“斬控式交流調壓實驗項目的研制”是該校電力電子技術實驗室的教改課題之一，目的是設計一個包含PWM控制技術，綜合計算機控制技術和交流調速技術的開放式實驗模塊。

1 斬控式交流調壓實驗系統設計

交流調壓電路的常用控制方式主要分為相位控制和斬波控制2種。相位控制方式是在電源電壓的每半個周波內通過對相應的開關器件進行觸發控制，從而改變輸出電壓的大小。但其電源輸入電流，負載側的電壓、電流均不是正弦波，含有豐富的低次諧波，且各次諧波幅值間的比例隨觸發角的變化而變化，濾波較困難，網側電流諧波含量高，功率因數低，對電網造成的污染嚴重。斬控式交流調壓電路采用全控器件，在電源電壓的每半個周波內通過對相應的開關器件進行多次的通斷控制，改變觸發的PWM脈沖寬度從而改變輸出電壓的大小。交流斬波控制是為連續調節，其輸入電流、輸出電壓諧波均為與開關頻率相關的高次諧波，開關頻率足夠高時，諧波極易濾除，且濾波器體較小，電網側功率因數取決于負載。采用斬控式交流調壓電路構成的實驗系統框圖如圖1所示。

實驗電路采用模塊化設計方式，實驗中可采用不同模塊實現不同的功能。通過同步變壓器和電流互感器分別得到電壓和電流同步信號，同步信號經比較器實現過零檢測，根據選擇的互補或非互補控制方式，同步信號與PWM信號進行相應的邏輯運算后得出四路觸發脈沖，脈沖經過隔離和放大送至主電路驅動MOSFET，從而實現對電源電壓的調節。負載的電壓電流或轉速反饋可與預設值相比較，得出差值用以調節PWM信號的占空比，從而實現系統的閉環控制。系統運行過程中可以對負載狀態進行監測和顯示，若出現故障，發出故障報警，并切除MOSFET的驅動信號，從而保護調壓電路。圖1虛線部分中的對反饋電壓、電流和轉速信號處理，PID調節的閉環控制，可由MCS51單片機實現，若需要大量實時的數據處理，可采用DSP來實現。實驗中除PID閉環控制部分外，均采用硬件實現方式，但對外均留有控制口，可外接控制器實現閉環控制。

圖1 斬控式交流調壓實驗系統框圖

2 斬控式交流調壓實驗電路設計

為兼容原有的RTDL-1實驗平臺，斬控式交流調壓實驗箱采用掛箱形式。為保證實驗安全，實行強電弱電分離方式，且采用不同直徑的插口加以區別，如圖2所示，同心圓插口為強電接口，單圓小插口為弱點接口。

圖2 斬控式交流調壓主電路圖

2.1 主電路

主電路部分包含:主電路拓撲結構，電流互感器、濾波電路3大部分。

2.1.1 主電路拓撲結構

圖2中有4個開關元件，通過更改電路的連接方式和控制方式，可以分別實現斬控式交流調壓、相控式交流調壓、單相橋式整流和單相交流調功等功能。

在主電路中，Q1，Q2為2個主控開關，Q3，Q4為可作為續流開關使用，也可單獨使用。當負載為純電阻負載時，可不選續流開關;當負載為阻感負載時，可以選擇不同的電路連接方式和控制方式，以觀測其區別。

2.1.2 濾波器設計

斬控式交流調壓電路的輸入、輸出電壓中都含有豐富的諧波，若這些諧波不加以控制就會對電網造成較大的諧波污染，同時還可能產生電磁干擾，影響周圍的電子設備，因此濾波器設計是十分必要的。

對斬控式交流調壓電路的輸出電壓進行傅里葉分解可知:不含低次諧波，只含和開關周期T相關的高次諧波。本電路設計的開關頻率為11 kHz，因此采用低通濾波器就很容易將諧波濾除，所設計的濾波器如圖2所示。

2.1.3 電流互感器

在實驗箱面板上安裝了電流互感器，在進行非互補式斬控交流調壓實驗時，可以將連接負載的導線按方向要求穿過互感器，并用細導線纏繞互感器5匝(可根據不同負載電流調整)后接入電流過零檢測電路，即可實現電流檢測。此外，也可以通過引出線間電壓檢測出電流的過零信號，并通過光耦隔離送入控制電路。為使學生熟悉電流互感器的使用方法，主電路中的A、B兩點引出信號僅用于電流過流檢測。

2.2 控制電路

控制電路主要目的是根據不同的負載控制需要，產生滿足要求的4路MOSFET觸發脈沖，并能夠實現過流、過壓等故障保護功能。控制電路的主控部分可由硬件和軟件兩種方式實現。

2.2.1 硬件實現的斬控交流調壓控制邏輯電路設計

(1) PWM波形控制電路設計。

PWM波形發生電路如圖3所示，TL494芯片的5、6腳電容和電阻的大小決定了輸出PWM波形的頻率，實驗中改變5腳電容大小就可以改變輸出PWM波的頻率。TL494的13腳接地，設置為單路輸出，由11、12引腳共同輸出一路脈寬可控的PWM控制信號。脈沖寬度可由1、2腳和3腳共同控制，以實現輸入和反饋比較的閉環控制，4腳可設置為軟啟動控制端。此外也可以通過控制4腳電壓大小控制輸出PWM波形的脈沖寬度，實驗電路采用如圖3所示控制方式。TL494的4腳電壓可由旁邊的可調電阻端電壓控制，也可以采用外接控制器產生的+5 V可調電壓來實現。

(2) 斬控交流調壓控制信號的邏輯電路設計。

斬控式交流調壓電路控制部分可以采用互補和非互補2種方式，具體的工作原理可參看相關文獻，實驗中這兩種控制方式分別由不同的邏輯電路實現。

互補控制方式

所謂互補控制，就是在一個開關周期中，斬波開關和續流開關必須有且只有一個導通，二者觸發脈沖互補。但在運行中不容許兩者同時導通而造成電源短路，而開關器件開通時間小于關斷時間的特性，必須保證需關斷的器件先關斷再給需導通的器件觸發脈沖，需要加入死區時間，從而使得兩者的觸發信號又不能完全互補。在死區時間內2個開關器件均不導通，使負載開路，感性負載時會出現瞬間的電壓沖擊。在選擇互補控制方式時，應輸入電壓過零檢測信號，故障檢測信號，可觀測到純電阻、阻感負載無續流開關、阻感負載有續流開關、阻感負載有續流開關加濾波電路等不同波形，從而加深理解相關概念。

非互補控制方式

非互補式控制適用于任何負載，任何時段在電源非短路的情況下均可維持負載電流的導通，無電壓沖擊，同時采用電流檢測的非互補控制還可以消除失控現象。

圖3 斬控交流調壓控制電路

2.2.2 軟件實現的斬控交流調壓控制電路設計

上述的兩種斬控式交流調壓控制方式也可以采用外接控制器，對于開環或需處理的數據量和實時性不高時均可采用單片機，在閉環或實時性要求較高的系統中可采用DSP或FPGA(這里僅預留對外接口，具體的設計不做說明)。系統中的主電路和檢測、驅動電路均是通用的，若實現整流、相控調壓和交流調功等功能，僅需更改主電路的連接方式，改變外接控制器的程序即可。

2.3 檢測和驅動電路設計

檢測電路包含故障信號檢測電路、電壓/電流/轉速反饋信號檢測電路。電壓和電流的同步檢測電路如圖4所示。

驅動電路包含觸發脈沖的放大和隔離兩部分，脈沖采用兩級放大，光耦隔離。

3 結 語

綜上所述，斬控式交流調壓電路運用模塊化設計，采用不同的連接方式和控制方式實現不同的電路功能，并對外預留接口，便于實現電路的數字控制。該實驗裝 置可完成基礎性實驗，也可以利用外接控制器完成綜合性實驗設計、課程設計及相關的科研工作。

圖4 電壓和電流同步檢測電路

參考文獻

[1]徐建一，劉文武.電工電子學教學實驗裝置的研制與開發[J].實驗技術與管理，2005，22(10):76-78.

[2]高新，王波，王海英.校企合作共建校內實習基地[J].中國現代教育裝備，2007(9):81-82.

[3]劉建紅，張方華，陳寶林.新一代電力電子實驗裝置的研制[J].電氣電子教學學報，2009，31(1):63-65.

[4]張茂青，胡慶何，汪萍.一種實用的三相六脈沖晶閘管觸發板的研制[J].電工技術雜志，2003(7):66-69.

[5]曹金安，鄭學平.斬控補償式交流穩壓電源[J].福州大學學報，2007，35(4):549-553.

[6]黃美成.晶閘管交流調壓電路的觸發方案研究[J].電力電子技術，2004(4):53-55.

[7]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4版.北京:機械工業出版社，2001.

[8]馮垛生，劉希真.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2008.

[9]黃春耀，王清輝.電力電子技術實驗單片機觸發系統的設計與應用[J].龍巖學院學報，2008(26):36-38.

[10]崔麗君，王長柱.高校電力電子實驗室建設探索[J].中國電力教育，2010(1):146-148.

作者簡介: 王至秋 男，1968年出生，山東即墨人，工程師。主要研究方向為電氣自動化。