基于DSP的單相斬控式交流調壓器的設計

唐小強 皇金鋒 董鋒斌

（陜西理工學院電氣工程系，陜西 漢中 723003）

1 引言

斬控調壓和相控調壓相比優點在于：斬控式交流調壓是連續調節方式，其輸入電流、輸出電壓諧波及其對電網和升壓變壓器的影響較相控方式小得多。對它的輸入電流、輸出電壓的波形分析表明，除基波外，還含有頻率在開關頻率及其整數倍；兩側處分布的諧波。當開關頻率足夠高時，只要引入極小尺寸的輸入、輸出濾波器，即可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全濾除，電源側的功率因數總是與負載側相同。因此，采用斬控式交流調壓電路可使裝置體積減小，功率因數提高[1-2]。而且斬控式交流調壓采用全控型器件，可大大改善系統動態響應特性。

本文以單相斬波交流調壓器為研究對象，分析了斬控式調壓電路的工作原理，并以TMS320F2812為控制器，設計出單相斬波調壓器閉環自動控制系統。

2 主電路的拓撲結構及工作原理

圖1所示為單相斬波交流調壓電路拓撲結構。圖中V1、VD1、V2和VD2構成雙向斬波開關，VF1和VDF1、VF2和VDF2構成雙向續流開關，在實際電路中，雙向開關由采用帶有反并聯二極管的單IGBT功率模塊反相串聯組成。

該拓撲結構采用帶電流檢測的非互補控制方式，開關模式由電壓極性決定，避免了調壓器中主開關和續流開關換相過程引起的共態運行，開關器件無換相過電壓。主開關緩沖電路經優化設計后，可保證主開關開通電流小于1.5倍通態電流，改善開關過程電壓、電流變化軌跡，大大減小器件開關損耗。對輸出電壓波形的傅里葉分析結果表明，除基波以外還含有其他諧波，諧波頻率在開關頻率及其整數倍兩側分布，開關頻率越高，越容易濾除。經優化設計的濾波器濾波后，可認為輸出電壓僅含有基波[3]。

圖1 單管反串聯雙向電子開關斬控式交流調壓電路

3 單相斬控式交流調壓器的系統設計

3.1 系統結構框圖

斬控式交流調壓器包括主電路和控制電路兩部分。圖2為其基本結構框圖，主電路部分包括斬波用的雙向電力電子開關和輸入濾波環節。控制電路由電壓采集、控制信號和信號驅動3部分組成。其中控制信號由DSP來完成。電路工作時，將采集到的負載電壓求其有效值并進行A/D轉換，與設定值比較，進行PI調節計算出占空比D。占空比D連同輸入電壓信息加于脈沖形成電路；驅動電路把來自脈沖形成電路的脈沖信號進行放大、整形，使其滿足電力電子開關器件的要求，其輸出加在電力電子器件的控制端。

圖2 斬波式交流調壓框圖

3.2 硬件電路設計

單相斬波式交流調壓器的硬件電路如圖 3所示。硬件電路主要有過零檢測、主電路、檢測采樣電路三部分組成。主電路拓撲結構在前面已經做了詳細的說明，不再贅述，以下簡要說明其他兩部分電路。

圖3 單相斬波式交流調壓器的硬件電路

（1）過零檢測電路

交流調壓的一個關鍵就是過零檢測，如果過零檢測不好，可能導致正弦波上下半波不對稱，這樣就失去了交流調壓的意義。一般來做交流的過流檢測有兩種方法，即A/D轉換檢測和光耦檢測。在本次設計中，用光耦來對交流電零點進行檢測，這種方法簡單，易操作，也可以做到上下半波很對稱。過零檢測電路如圖4所示。

（2）采樣電路

1）電壓檢測

根據反饋控制規律，要形成閉環控制系統，必須有反饋回路。此系統控制的是斬控交流負載端電壓，因而有交流電壓檢測環節。電壓檢測電路為圖5。其中R3為互感器初級分壓限流電阻，電壓互感器選用GPT-202B。

圖4 過零檢測電路

圖5 電壓檢測

2）采樣調理電路

數字控制部分只能識別正的電壓信號，而電壓檢測的信號是交流的，所以要通過調理電路把采樣的信號轉換為DSP能夠識別的信號。TMS320F2812片內 A/D采樣的輸入電平范圍為 0～3V，因此需要通過模擬采樣調理模塊，將采集信號經過適當的變換，得到DSP可以處理的0～3V以內的信號。采樣調理電路如圖6所示，將檢測到的電壓信號經整流橋，最后經過電位器分壓，形成 0～3V的交流電壓送到DSP。同時在輸出端接一個3V限幅電路，從防止燒壞DSP。

圖6 采樣調理電路

3.3 系統軟件設計

系統軟件設計分為 PWM信號產生程序，A/D轉換中斷服務子程序。

（1）主程序設計

主程序由系統初始化子程序，PWM產生子程序，A/D電壓反饋子程序，PI運算子程序等中斷服務子程序構成。

（2）A/D轉換中斷服務子程序

實驗用事件管理器EVA來啟動A/D中斷服務字程序，采樣周期100us。

（3）數字PI調節器算法

輸入時誤差函數為e(t)，輸出函數為u(t)時，PI調節器的傳遞函數為

只要在計算機中多保存上一拍的輸出值即可。

4 實驗結果分析

實驗交流變換器輸出電壓設定為 55V，負載是阻性負載，阻值80Ω，開關頻率為10kHz，電壓檢測回路濾波電容C1為1uF。經參數整定后，系統具有良好的穩態性能和動態性能，調壓范圍寬，輸出波形平滑，對電網的諧波污染小。圖7為未經電容濾波的負載電壓。圖8為濾波后的負載電壓。

圖7 負載電壓

圖8 經濾波后的負載電壓

5 結論

本文采用單管反串聯雙向電子開關斬波式交流調壓拓撲電路，利用光耦隔離器來檢測電壓過零，方法簡單，實用。以TMS320F2812為核心控制器件，采用用PI控制算法實現系統的完全數字控制，用軟件編程的方法產生IGBT的控制信號。系統優點是體積小巧，性能穩定。系統具有良好的穩態性能和動態性能，調壓范圍寬，輸出波形平滑，對電網的諧波污染小。

[1] 洪乃剛.電力電子技術基礎[M].北京:清華大學出版社,2008.1:183-189.

[2] 王兆安.電力電子技術[M].第四版.北京:機械工業出版社,2000.

[3] 毛行奎,張文雄.交流斬波控制調壓技術探討[J].機床電器,2004(2):50-53.

[4] 于海生.微型計算機控制技術[M]. 北京:清華大學出版社,1999.3:91-95.