斬控式純正弦波交流調(diào)壓器的設(shè)計

石理碧，李春生，王魯楊，陳炯

（1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院，浙江杭州310019;2.安徽阜陽供電公司，安徽阜陽236000; 3.上海電力學院，上海 200090）

交流電壓調(diào)節(jié)器廣泛應用于電機啟動與調(diào)速，交流穩(wěn)壓，調(diào)光等工業(yè)領(lǐng)域［1-4］.目前，對于交流調(diào)壓的方法有兩種：一是以交流變壓器為核心的調(diào)壓、降壓手段，包括多抽頭、自耦等，但存在體積大、調(diào)節(jié)精度低或有級調(diào)節(jié)、可靠性差等缺點;二是利用晶閘管相控的調(diào)壓器，但因其采用相控方式而導致功率因數(shù)低、諧波大、動態(tài)響應慢、濾波器體積大等缺點.

近年來，絕緣柵雙極結(jié)型晶體管（IGBT）因其性能優(yōu)良而得到了廣泛的應用.IGBT的顯著優(yōu)點是開關(guān)速度快、損耗小，所需驅(qū)動信號功率小，脈寬調(diào)制技術(shù)可借助高開關(guān)頻率降低諧波的優(yōu)點，通過IGBT得到了完美的體現(xiàn).采用IGBT實現(xiàn)交流電壓的斬波調(diào)節(jié)，替代傳統(tǒng)的基于半控型器件SCR的相控技術(shù)，大大改善了交流電壓調(diào)節(jié)器的性能.交流斬波控制調(diào)壓技術(shù)具有輸出功率因數(shù)僅取決于負載的功率因數(shù)、動態(tài)響應速度快、線性調(diào)壓范圍寬，以及輸入輸出電壓易于濾波高度正弦化等優(yōu)點.

根據(jù)這些優(yōu)點，本文在交流斬波調(diào)壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種交流調(diào)壓系統(tǒng).整個系統(tǒng)采用DSP控制，大大簡化了控制核心系統(tǒng)的復雜程度，提高了控制的精度和速度，使輸出電壓高度正弦化，并使電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的功率因數(shù)基本相同，實現(xiàn)了對輸出電壓和電流的控制.

1 交流斬波技術(shù)的工作原理

交流動態(tài)電壓調(diào)節(jié)電路的主電路由輸入濾波、開關(guān)電路和輸出濾波3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 交流斬波調(diào)壓電路原理

圖1中，濾波電感L1和濾波電容C1組成輸入濾波，對電網(wǎng)中的高頻分量進行吸收;雙向開關(guān)S1和S2由兩個IGBT共射極連接;電感L2用于存儲能量并將其傳遞到輸出端，濾波電容C2作為輸出濾波電路.

由圖1可以看出，在理想斬波方式下，斬波開關(guān)S1，S2和續(xù)流開關(guān)S3，S4交替工作，每個開關(guān)周期分為斬波導通和續(xù)流階段.輸出電壓為：

可見，輸出電壓由輸入電壓的基波和高次諧波所組成.當開關(guān)頻率足夠高時，只要引入較小尺寸的輸入、輸出濾波器，即可將輸入電流、輸出電壓中的諧波完全消除，同時不改變系統(tǒng)的功率因數(shù).此時，輸出電壓為：

因此，可通過調(diào)整占空比，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié).

2 交流斬波的控制方式

交流斬波調(diào)壓控制方式與開關(guān)器件的工作模式有關(guān)，一般分為互補控制和非互補控制兩種.其中S1～S4為全控開關(guān)，一般用帶反并聯(lián)二極管的IGBT單元代替，S1和S2起斬波作用，S3和S4起續(xù)流作用.

2.1 互補控制方式

互補控制方式是指在一個開關(guān)周期內(nèi)，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)必須有且只能有一個導通，要求驅(qū)動信號嚴格準確.由于電力電子器件開通和關(guān)斷都需要一定時間，如果不加處理，就會在過渡階段導致開關(guān)直通.因此，實際應用時必須在兩個控制信號之間添加控制死區(qū)，即在過渡期間時需要兩類開關(guān)同時關(guān)斷.但由于死區(qū)的存在，容易使感性電路產(chǎn)生大的瞬時電壓沖擊，需要增加一定功率的緩沖電路.這不僅會使波形畸變、效率降低，而且如何設(shè)計緩沖電路也是難點.

2.2 非互補控制方式

非互補控制方式是指按不同規(guī)律分別控制斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)的工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)互補控制中的直通所導致的短路現(xiàn)象，不需要或只需很小的緩沖電路即可.根據(jù)檢測負載電流與否，又分為無電流檢測和有電流檢測兩類.在無電流檢測非互補控制方式的情況下，可以避免出現(xiàn)直通現(xiàn)象.但當輸入電壓和輸出電流不同相時，該控制方式存在失控現(xiàn)象，即輸出電壓不是斬波波形.失控區(qū)的存在使輸出電壓包含較明顯的3次和5次等低次諧波.而在有電流檢測的非互補控制方式的情況下，當電壓和電流不同相時，續(xù)流開關(guān)也做斬波工作，這樣雖然消除失控現(xiàn)象，但控制較復雜.

3 交流斬波調(diào)壓器的設(shè)計

根據(jù)上述交流斬波的原理，本文采用非互補控制方式對其進行控制，可使系統(tǒng)的諧波分量變小，并消除系統(tǒng)的失控區(qū).整個系統(tǒng)由交流斬波電路、信號處理電路、邏輯控制電路和濾波電路組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 交流調(diào)壓器的原理

由圖2可以看出，整個系統(tǒng)的工作過程分為以下5個步驟：一是對交流信號進行濾波，濾出電網(wǎng)中的高頻分量;二是對電壓波形進行測量，并將交流信號送到調(diào)壓電路，利用斬波原理對交流電壓進行斬波;三是利用輸出濾波電路對其輸出的斬波信號進行濾波，濾除高頻分量，從而在負載上得到完整的正弦波電壓信號，并對負載上的電流進行測量;四是將測得的電流信號送入DSP系統(tǒng)中，與基準信號進行對比，輸出合理的PWM信號，將其送入邏輯控制電路;五是邏輯控制電路根據(jù)輸入的PWM信號、電壓信號和電流信號，輸出合理的非互補式控制方式的控制信號，經(jīng)IGBT的驅(qū)動電路對其進行驅(qū)動，最終實現(xiàn)交流斬波.

3.1 主電路分析

由圖1可以看出，交流斬波主電路的輸出電壓波形受斬波頻率大小的影響.為了了解其影響的程度，本文采用PSPICE軟件對其進行了仿真分析.圖3分別為斬波頻率為5 kHz，10 kHz，20 kHz下的輸出電壓波形.

由圖3可以看出，在電路其他參數(shù)不變的條件下，隨著斬波頻率的上升，其輸出電壓的波形質(zhì)量越來越高，并且其輸出電壓的效率也在增加.因此，在制作交流斬波調(diào)壓系統(tǒng)的過程中，可選擇較大的斬波頻率.

圖3 不同斬波頻率下的電壓輸出波形

3.2 控制邏輯電路的設(shè)計

在本設(shè)計中，對開關(guān)采用非互補方式進行控制，從而消除失控現(xiàn)象，這就需要對續(xù)流支路進行相應的斬波控制.為使系統(tǒng)更加可靠，本系統(tǒng)采用一路PWM波，并通過邏輯電路實現(xiàn)對4個IGBT的控制，其控制電路和波形見圖4和圖5.

圖5中的U和I的曲線分別代表電壓、電流經(jīng)過零比較后的曲線，S1，S2，S3，S4的波形分別為IGBT1，IGBT2，IGBT3，IGBT4的控制信號波形.從控制波形可以看出，本文所設(shè)計的邏輯控制系統(tǒng)消除了斬波過程中的盲區(qū)，實現(xiàn)了整體斬波.

圖4 邏輯控制示意

圖5 4個IGBT的控制波形

通過分析斬波頻率為10 kHz的交流調(diào)壓器的波形發(fā)現(xiàn)，在輸出功率為15 kW時，整個調(diào)壓器的輸出功率因數(shù)為99%，諧波THD小于2.5%.

4 結(jié)論

（1）本文所設(shè)計的邏輯控制電路滿足非互補控制方式，實現(xiàn)了對輸入電壓波形的整體斬波，不存在不可控區(qū)域.

（2）通過仿真結(jié)果可以看出，斬波后的輸出電壓波形受斬波頻率的影響，頻率越高，輸出電壓的波形越好，效率越高.因此，在設(shè)計的過程中，可盡量增大斬波頻率，以提高輸出波形的質(zhì)量，減少諧波含量.

［1］VESZPREMIK，HUNYAR M.New application fields of the PWMIGBT AC chopper［C］//Eighth International Conference of Power Electronics and Variable Speed Drives.London：IEE press，2000：46-51.

［2］FUJIKURA S，UEDA A，TORII A.Analysis of a threephasebuck-boost AC chopper controlled in two phases［C］// Power Conversion Conference.Nagoya：IEEE press，2007： 824-830.

［3］HIETPASSM，NADEN Mv.Automatic voltage regulator using an AC voltage-voltage converter［J］.IEEE Transaction on Industry Application，2000，36（1）：33-38.

［4］SINCERO G C R，PERIN A J.High pressure sodium lamp high power factor electronic ballasts using AC/AC converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（3）： 804-814.

（編輯蘇娟）