斩控式AC-DC-AC变换在交流稳压电源中的应用

2016-01-20巫付专冯占伟

中原工学院学报 2015年1期

关键词：稳压电源拓扑结构

巫付专，韩　梁，冯占伟

(中原工学院，郑州 450007)

斩控式AC-DC-AC变换在交流稳压电源中的应用

巫付专，韩梁，冯占伟

(中原工学院，郑州 450007)

摘要：针对传统AC-DC-AC交流稳压电源输入谐波大、功率因数低和体积大等问题，设计了一种基于PWM斩控式AC-DC-AC变换的单相交流稳压电源。该拓扑结构电源同传统AC-DC-AC相比，节省了直流侧电容；由于采用PWM斩波控制，滤波器设计简单，线路中谐波含量低，输入侧达到了单位功率因数要求。电压、电流检测采用单相信号构造成三相信号，利用瞬时无功功率理论对信号进行检测与处理，实时性高。系统采用电压电流双闭环控制，提高了精度和稳定性。对系统进行了MATLAB/simulink仿真并且搭建硬件平台，验证了该结构和控制方法的可行性。

关键词：单相交流；稳压电源；拓扑结构；斩波控制； AC-DC-AC

单相交流稳压电源种类很多，所采取的电路拓扑结构也多种多样，常见的有直接AC-AC结构、AC-DC-AC结构等。文献[1]提出了一种具有两级功率变换的直接AC-AC高频交流变换的拓扑电路结构，其变换率高。但是，采用高频变压器以及输入输出周波变换器，增加了装置成本和体积；开关管电压应力大，输出电压谐波含量高。文献[2]提出了一种新颖的三电平AC-AC变换器，其输出电压谐波含量低，开关管电压应力小，能实现较高电压等级的变换，但是存在着驱动电路设计复杂的缺点。文献[3]提出了一种针对大功率场合的晶闸管控制交流稳压系统，其工作稳定性好，但是由于采用的是相控方式，控制角增大会导致功率因数降低，电流中谐波也相对增大，所需滤波器的体积随之变大。文献[4]提出了一种基于双PWM控制的AC-DC-AC变换的单相交流稳压电源拓扑结构，用PWM整流器代替二极管不可控整流，实现了能量双向流动，谐波含量小。然而，因其电路采用两个H桥，并且还需要直流侧储能电容，所以其硬件电路以及控制方法较为复杂。

本文设计了一种采用PWM斩波控制的单相交流稳压电源。其开关频率及采样控制精度高，只含有开关次的谐波，采用简单的滤波器即可滤除谐波；稳压控制采用输出电压、电流PI双闭环控制方式，采用瞬时无功理论检测负载电压和电流，实时性好；主电路省去了直流侧电容，功率因数高，谐波含量小。

1系统拓扑结构

图1为采用斩控式单相交流稳压电源的主电路拓扑结构。主电路由交流电源、输入和输出LC滤波器、整流器、逆变器构成。输入交流电压信号经输入LC滤波和单相全桥整流，得到单相桥式不可控整流电压信号，再经过逆变器得到等宽不等幅的斩波信号，最后经过输出LC滤波电路得到正弦电压信号。

图1　斩控式单相交流稳压电源主电路拓扑结构

在输入电压正半周时，给开关管VT1、VT2互补的PWM驱动信号，给开关管VT3持续的低电平，给开关管VT4持续的高电平；当VT1处于PWM波的高电平时，输入电压经VT1斩波；当VT1处于PWM波的低电平时，VT2和VD4构成续流回路。在输入电压负半周时，给开关管VT1持续的低电平，给开关管VT2持续的高电平，给开关管VT3、VT4互补的PWM驱动信号；当VT3处于PWM波的高电平时，输入电压经VT3斩波；当VT3处于PWM波的低电平时，VT2和VD4构成续流回路。

设Ui为输入电源电压，Uo为负载输出电压，由斩波AC-DC-AC变换电路可知：

Uo=S(t)*Ui

(1)

式(1)中，开关函数S(t)定义为：

(2)

式(2)中：n=0，±1，±2，…；D为占空比；Ts为开关周期。

设Ui=Umsin2πfst，则有：

Uo=S(t)Umsin2πfst

(3)

式(3)中：Um为输入电源电压峰值；fs为输入电源电压频率。

对Uo进行傅里叶级数展开，可得：

(4)

式中：fc为载波频率；n为谐波次数；a=sin[2π(nfc+fs)t-nπD]；b=sin[2π(nfc-fs)t-nπD]。

式(4)表明，输出电压除含有基波外，还含有其他次谐波，谐波频率主要分布在nfc±fs处，开关频率越高，谐波与基波的距离越远。截止频率f与滤波器LC参数的关系为：

(5)

由式(5)可看出，采用小参数的滤波器即可滤除谐波，减小滤波器体积。同时，由式(4)可看出基波幅值与输入电压幅值之比为：

(6)

由式(6)可知，根据占空比D来控制各开关管的状态即可调节输出电压的大小，达到稳压的目的。

2检测算法及控制策略

常用的检测算法有均方根计算法、傅里叶分析法、瞬时无功理论检测法等。均方根算法计算简单，但是运算时有一个周期的延时；傅里叶分析法虽然可以检测各次谐波，但是其运算也有一个周期的延时，计算量大；瞬时无功理论检测法实时性好，运算相对简单，但是它只适用于三相信号，因此，需要将单相信号构造成三相信号。

在对称的三相三线制电路中，各相的电压波形相同，相位各相差120°。同样，各相的电流波形也相同，相位各相差120°。设uL、iL分别为单相电路负载输出的电压和电流瞬时值，由uL、iL构造三相系统，并设ua、ub、uc和ia、ib、ic分别为所构造的系统三相电压、电流的瞬时值。在三相三线制电路中，只有两个电流是独立的，另一个电流可由独立的两个电流算出。由此，可令ia=iL，而由iL延时60°所得到的电流与延时240°所得的电流正好反相[5]，即为-ic，而ib=-ia-ic。这样，就构造出了三相电流；同理，三相电压也可由此方法构造得到。

检测到的负载电压按照上述方法由单相构造成三相，然后根据瞬时无功功率理论进行dq变换得到d轴、q轴电压分量ud、uq和电流分量id、iq：

(7)

(8)

其中,C32为三相到两相变换矩阵：

(9)

对dq轴电压ud、uq及电流id、iq进行均方根计算，可得到单相电压、电流的峰值um、im：

(10)

(11)

本文采用外环电压环、内环电流环的双环控制策略，对给定电压与负载反馈电压做差，得到电压误差信号，送入PI调节器，其输出信号作为负载电流的给定；然后与负载电流做差，得到电流误差信号，再进行一次PI调节；最后，PI调节的输出信号与三角波比较产生PWM控制信号，以控制IGBT开关管工作。电压、电流检测及双环控制原理如图2所示。

图2　电压、电流检测及双环控制原理图

3仿真及实验样机

3.1MATLAB仿真电路及仿真结果分析

根据单相交流稳压电源主电路拓扑结构，采用MATLAB/simulink搭建了仿真模型(见图3)。其中Subsystem1是单相构造三相检测电压模块，Subsystem2是单相构造三相检测电流模块，二者的内部结构相同，如图4所示；Subsystem3是驱动电路模块，内部结构如图5所示。在仿真模型中，输入电压为AC220V，输出电压为AC36V，输入滤波电感为4mH，输入滤波电容为10μF，输出滤波电感为7mH，输出滤波电容为10μF，负载为20Ω。仿真模型中使用的锯齿波频率为12.8kHz，电压外环PI参数为kp外=0.4，ki外=0.5，电流内环PI参数为kp内=0.6，ki内=20。本仿真要求输出负载电压稳定在36V，由锯齿波比较产生的信号和50Hz的脉冲发生器输出信号进行与逻辑，产生PWM信号来控制IGBT开关管的通断，调节输出电压，以达到变压、稳压的目的。

图3　单相交流稳压电源MATLAB仿真原理图

由单相电压构造成三相电压的波形如图6所示，电流的构造与此相同。

由图6可看出，从单相电压信号可成功构造出三相电压信号。

图4　单相构造三相检测模块

图5　驱动电路模块

图6　单相电压构造三相电压波形

当输入电压Ui=200V时，输出电压、电流波形如图7所示。

当输入电压Ui=240V时，输出电压、电流波形如图8所示。

由图7和图8看出，随着输入电压的变化，负载输出电压有效值稳定在36V不变，谐波畸变率为3.78%，谐波含量小。

图7　输入电压Ui=200 V时输出电压、电流波形

图8　输入电压Ui=240 V时输出电压、电流波形

3.2实验样机及实验结果分析

本文根据仿真模型设计了实验样机。图9为该样机硬件结构图。它主要由交流电源、DSP控制器、整流器、逆变器、滤波器、调理电路、过零检测电路、光隔驱动电路以及负载组成。样机输入电压为AC220V，输出电压为AC36V，输入滤波电感为3mH，输入滤波电容为10μF，输出滤波电感为5mH，输出滤波电容为10μF，负载为28Ω。整流桥型号为SQL50A1000V；逆变桥采用型号为FSAM30SH60A的功率模块；选用TMS320F2812DSP芯片作为控制器。采用CHV-25P电压霍尔传感器检测负载电压，LA-50P电流霍尔传感器检测负载电流。用调理电路将检测信号变成0~3V电压信号,送入DSP;过零检测电路检测输入交流电压相位,送入DSP，使输出电压与输入电压同相，并使驱动信号在半个周期时换相。DSP控制器产生的PWM信号经过光隔驱动电路控制开关管的通断，实现对输入电压的斩波。

图9　交流稳压电源硬件结构图

仿真软件的流程如图10所示。该软件的总体结构由主程序、周期中断服务程序和AD转换子程序组成。其中：主程序主要完成系统及所使用外设的初始化功能以及通过查询方式更新换相时刻；周期中断服务程序执行锯齿波比较算法后，完成占空比的更新，从而产生PWM波；AD转换子程序完成电压、电流的采集，以及电压外环和电流内环的PI调节。

(a)主程序 (b)周期中断服务程序　(c)A/D子程序图10　DSP软件流程图

由于样机输入侧分压电阻的作用，输入信号呈4倍衰减并在示波器上显示。当输入电压Ui=60.1V，负载R=28Ω时，输出电压Uo=35.6V，如图11所示。当输入电压Ui=51V，负载R=28Ω时，输出电压Uo=35.5V，如图12所示。当输入电压Ui=51V，负载R=15Ω时，输出电压Uo=35.4V，如图13所示。

图12　Ui=51 V，R=28 Ω时，输出电压波形

图13　Ui=51 V，R=15 Ω时，输出电压波形

由图11和图12看出，针对不同输入电压搭建的实验样机，输出电压都能稳定在36V。由图12和图13可看出，负载变化时，输出电压也能稳定在36V，输出电压与输入电压同相，且谐波畸变率为4.95%，低于国家标准5%(见图14)。

图14　负载输出电压谐波分析

4结语

本文设计了一种基于斩控式AC-DC-AC变换的

单相交流稳压电源，在检测方法上采用单相构造三相，并用瞬时无功功率理论检测输出电流，实时性好；在控制策略上采用负载电压、电流双闭环控制策略，提高了系统精度及稳定性；最后，对整个系统进行MATLAB仿真，并搭建了硬件平台。

由实验结果可看出，针对不同输入电压，系统的输

出电压基本稳定在有效值36V，且谐波畸变率为4.95%，低于国家标准5%；由于采用高性能DSP芯片为主控制器，开关频率高，因此采用简单的滤波器便可滤除谐波，减小了装置体积；整个系统结构简单，且谐波含量小，稳压效果好。

参考文献：

[1]陈道炼,尹春.高频交流环节AC-AC变频变换系统基准正弦电路研究[J].电源世界, 2005(12): 41-44，60.

[2]李磊,杨君东.单级三电平交流斩波器的控制策略研究[J].电力电子技术, 2011,45(7): 24-26.

[3]陈峦,陈池.150kW交流稳压电源系统[J].装备制造技术, 2007(9): 112-114.

[4]赵晓红,邱瑞昌,韩啸一，等.基于双PWM补偿型单相交流稳压电源的设计[J].电气传动自动化, 2011, 33(1): 26-29.

[5]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2005.

(责任编辑：王长通)

Application of Chopping AC-DC-AC Conversion in AC Regulated Power Supply

WU Fu-zhuan，HAN Liang，FENG Zhan-wei

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China)

Abstract:In view of these problems, large input harmonic, low power factor and large volume of traditional AC-DC-AC single-phase AC regulated power supply， a single-phase AC regulated power supply based on PWM Chopping AC-DC-AC conversion is designed. Compared to the conventional AC-DC-AC topology, the topology saves the DC capacitor. As a result of PWM chopper control, filter design is simple, low harmonic content of the line and the input side can achieve unity power factor. detecting of voltage and current uses single-phase signal composing three-phase signal. detecting and processing of signal uses the instantaneous reactive power theory, real-time high. The double closed loop control of voltage and current improve the accuracy and stability of the system. Finally, using MATLAB / Simulink the system and lapped hardware platform are simulated, the simulation and experimental results verify the feasibility of the topology and control method.

Key words:single-phase AC； regulated power supply; topology; chopper control; AC-DC-AC