基于单片机的数字式交流调压系统硬件电路设计

吕伟鹏

（盐城师范学院 江苏 盐城 224002）

目前，我国某些地区电网供电质量比较差，电网电压波动范围较大[1]。电网电压波动对敏感性负载，如计算机、通讯设备和过程控制系统等影响很大，有可能导致这些系统的有效数据丢失、通信中断和生产周期加长等严重后果。因此，调节电网电压使得用电设备处于理想工作状态，从而获得最大的技术经济效益是非常重要的[2]。

市场上的开关型交流调压器产品一般采用相控交流/交流变换器加隔离升压变压器结构。由于采用了各周期相控技术，其响应时间可以小于一个电网电压周期。但其输出电压和电流的谐波含量较高，需要较大容量的滤波环节，并且输入功率因数较低。

从国内外的研究现状来看，数字式交流调压控制技术是一种新型高性能交流调压技术[3]。国内目前的晶闸管调压器中触发脉冲电路大部分为模拟电路元件形式，易受电网电压影响，达不到理想的控制效果，且不具有调功功能，无法实时检测电路的工作电压、电流值[4]。数字式交流调压器相对于模拟相控式交流调压器具有网侧电流谐波含量低、功率因数高、谐波频率高、容易滤波和对电网造成的污染小等优点，在对交流调压器工作原理及控制方法进行深入研究的基础上，进行了控制芯片外围电路的设计，主要包括电压、电流过零点检测电路的设计、电压参考电路的设计、继电保护输出电路的设计、输出滤波器设计。该电路的研究与开发得到了国内外学者们的关注。

1 数字式交流调压器原理

电力电子类交流调压器常见的控制方式分为相位控制和斩波控制，交流斩波控制的原理如图1（a）所示。SW1为主开关，SW2为续流开关。它是以比输入电源高得多的频率周期性使电路中的功率器件导通和关断，通过改变开关周期中功率器件导通的占空比来调节输出电压的大小[5]。理想工作状态下，斩波工作的工作波形如图1（b）所示，其中Tx为斩波周期，TON为功率器件在一个周期中的导通时间。

图1 交流调压控制原理Fig.1 Principle of AC voltage controller

数字式交流调压是连续调节方式，其输入电流、输出电压的谐波及其对电网和升压变压器的影响较相控式小得多[6]。开关频率足够高时，只要引入极小尺寸的输入、输出滤波器，可将输入电流、输出电压中的谐波完全滤除，电源侧的功率因数总是与负载侧相同。因此，采用数字式交流调压电路可使装置体积减小，功率因数提高，而且数字式交流调压可大大改善系统动态响应特性。

2 控制电路的构成及其工作原理

整个调压器系统使用单片机控制。Dspic30f6014a单片机是整个控制系统的核心，管理整个系统的工作。系统的硬件结构如图2所示。

图2 系统的硬件结构Fig.2 The hardware structure of the system

触发电路采用了APA3311继电器输出，配合电流、电压过零点检测电路，在Dspic30f6014a单片机的控制下产生PWM脉宽调制信号触发晶闸管的开关。

同步电源经过一个比较器LM339转换成同相的方波送入控制芯片进行过零检测，并以此产生的信号作为触发脉冲电路的同步信号。控制芯片产生的触发脉冲通过光耦隔离、放大，由继电器输出加到晶闸管的门极（G）和阴极（K）。电压给定信号Uref与电压反馈信号Uf由Dspic30f6014a自带的12位A/D进行模数转换，单片机根据给定信号的大小（开环工作模式）或PID的输出量（恒流、恒压、恒功率工作模式）通过计算得到SCR的导通角来实现对主电路的调压。

3 电压、电流过零检测电路

电压、电流过零检测电路通过电压比较器对输出电压过零点进行检测，经过输入捕捉模块把模拟量转化成数字量，送单片机中断，从而确定SCR的开关状态。在文中采用LM3ll电压比较器来实现电压、电流的过零点检测。

3.1 电压过零点检测电路

电压比较器（voltage comparator）LM311于其它电压比较器有较小的输入电流，是LM106、LM710的大约千分之一。它有较宽的工作电压范围，从标准的±15 VDC供电到单电源十3 V供电，其输出兼容RTL、DTL和TTL以及MOS电路。

输出电压通过降压变压器后得到一个50 Hz的交流信号ZVC，电压过零点检测电路图如图3所示。

图3 电压过零点检测电路Fig.3 Circuit of voltage zero-crossing detection

文中选用的降压变压器为220 V：12 V，变压器输出电压ZVC经过由R17和C12组成的RC低通滤波器接到电压比较器U1的正向输入端。－15 V通过R18、R20分压得到两个比较器的基准点压，由于RC低通滤波器产生的微小相位偏移。其中 R18为 50 MΩ。 ，R20为 50 Ω，R18＞＞R20所以 U1的 3脚和U2的2脚约等于0。R21、C30组成输出RC低通滤波器，R22为上拉电阻。

3.2 电流过零点检测电路

文中使用TA17－12精密电流互感器对电流进行检测，TA17系列电流互感器采用优质坡膜合铁芯，进口环型绕线机绕制使线性度优于1‰，典型应用电路如图4所示。

图4 电流互感器典型应用图Fig.4 Circuit of current zero-crossing detection

输入电流时，次级会产生一个与变比相应的输出电流，在输出端并接电阻得到取样电压，取样电阻应小于100 Ω，再通过运算放大电路将转换的电压信号放大。电流过零点检测与电压过零点检测工作原理相同。

3.3 电压参考电路设计

电压参考电路如图5所示，电压参考电路是将输入的3.3 V电压经过两级运放变成1.5 V的电压。图中运算放大器为LM124，运算放大器的电源电压为±15 V。

第一级运放输出电压为

第二级运放输出电压为

式中U=3.3 V，经计算输出电压Uref=1.5 V。

图5 电压参考电路Fig.5 Circuit of voltage reference

4 继电保护输出电路设计

晶闸管具有一定的过载能力。调压器所采用的晶闸管正常工作电流为4 A，提供过载电流为6 A，时间为10 s。可见，对于晶闸管调压器应设置保护。文中使用APA3311继电器作为继电保护输出电路。

晶闸管继电保护原理框图如图6所示。电压形成回路是从励磁回路中取出电流信号，一般采用串电阻方法，其阻值取回路电阻的1%左右，通过强励电流约为2.1 V，通过正常工作电流2 A时，电压降为0.7 V。这个电压信号直接加到监幅器上，其起动值为2 V。一旦监幅器动作，使时限电路工作，其延时时间整定为3 s。当延时时间到，使执行开关管导通，把调压器的晶闸管的触发脉冲短接，从而晶闸管失去触发脉冲而关断。

图6 继电保护输出电路框图Fig.6 Diagram of relay output circuit

为了保护电路工作可靠，该电路还采用了延时恢复特性。

5 输出滤波器设计

数字式交流调压器的输入、输出电压中含有高次谐波，这些高次谐波会对电网造成较大的谐波污染，同时高次谐波可能会产生电磁干扰导致周围的一些电子设备、计算机类敏感负载、通讯系统等不能正常工作。因此滤波器的设置和设计具有重要的意义。

输出电压所包含的频率成分与电子开关频率fm和输入电压频率fm有关，在nfs的左右成对出现，每一对谐波成分幅值相等。对于用于工频的斩控式交流调压器，wm即工频角频率（wm=2π×50 Hz），要比 ws低得多，通常关在 5 kHz以上，这样谐波成分的频率比基波成分大得多，这为输出电压的滤波创造了有利条件。fs越高谐波频率就越高，进行滤波较容易。而且fs越高谐波频率就越高，在进行低通滤波时滤波元件的参数就越小，更容易实现，输出滤波器常用LC低通无源二阶滤波器。

1）滤波器拓扑结构及数学模型

图7 LC滤波器拓扑结构Fig.7 Topology of LC filter

若不计电感线圈的内阻及电容器的漏电阻，传递函数为

2）滤波器参数的确定

①从系统对控制对象频率特性的要求选择滤波器的L，C

在文中，fm=50 Hz，fs=5 kHz，谐波中最低的频率 fhar（min）=4 950 Hz。为了使滤波器输出电压接近正弦波同时又不会引起谐振问题，LC滤波器的截止频率必须要远小于输出电压中所含有的最低次谐波频率，同时又要远大于基波频率。LC截止频率选为：

取 fc=10 fm，则 wc=3 140 rad/s，由式可得：

②从滤波电感上的电压损耗考虑

本系统令滤波电感的压降为电网电压的2%～3%。

式中：U=220 V；I=4.5 A；w=2nf=100n。由此计算电感值为3.1～4.7 mH。

由式（7）得出的电感值可计算出电容值为21～32 μF。综上分析电容值选用22 μF/450 V，电感值选用3 mH/30 A。

6 实验结果及分析

在完成系统的软硬件设计后，文中对整个控制系统在纯阻性负载下进行了调试，并记录了主电路和控制电路中各个单元的测试波形结果并对其作了分析，通过对其谐波的分析，测得谐波含量小于5%。本系统占空比调节范围为0.1～0.9，输出稳定电压范围为20～210 V。

6.1 触发信号实验波形

主电路交流侧输入电压为220 V/50 Hz，负载阻抗为25 Ω，开关频率为5 kHz，输出电压和输出电流同相位，CH1为输出电压的波形，CH2为触发信号波形，如图8所示，其中图8（a）的占空比为0.33，图 8（b）的占空比约为 0.8。

图8 触发信号及输出电压Fig.8 The trigger signal and output voltage

6.2 主回路输出电压波形

电源输入电压为220 V交流电，设定输出电压为110 V时，主回路输出电压波形如图9（a）所示，其占空比约为0.5。当设定输出电压为200 V时，输出电压波形如图9（b）所示，此时的占空比约为0.8。

6.3 电网电压波动时输出电压的波形

文中设计的硬件电路在系统启动并稳定后电网电压向上波动时占空比输出的曲线如图10（a）所示。由图10（a）可以看出，当在0.55 s时刻电网电压发生波动时，控制器的响应时间仅为半个工频周期左右，这就进一步证明了文中设计的硬件电路具有响应速度快和超调量小等优点。图10（b）为系统启动并稳定后电网电压向下波动时占空比的输出曲线，这条曲线也同样证明了本文所设计的硬件电路的优点。

图9 主回路输出电压Fig.9 Output voltage of main circuit

图10 电网电压波动时输出电压Fig.10 Output voltage when grid voltage fluctuated

实验结果表明，数字式交流调压器和模拟相控式交流调压器相比具有易滤波，输出电压、电流好，对电网谐波污染小和输出动态响应快等优点，能够在电网电压不稳定的条件下，达到稳定输出电压的目的。

7 结 论

介绍了数字式交流调压器的基本原理，在对交流调压器工作原理及控制方法进行深入研究的基础上，进行了控制芯片外围电路的设计，主要包括电压电流过零点检测电路的设计、电压参考电路设计、继电保护输出电路的设计、输出滤波器设计。实验结果说明数字式交流调压器相对于相控式交流调压器具有网侧电流谐波含量低、功率因数高、谐波频率高、容易滤波和对电网造成的污染小等优点，实现了调节并稳定输出电压的目的。

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