交流稳压电源的设计毕业设计

交流稳压电源的设计毕业设计内容摘要：

对于电力电子装置，元器件数量越多，发生故障的机率越大，装置的可靠性越低。 从寿命角度出发，电解电容 、 光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。 追求寿命的延长要从设计方面做工作。 美国一公司通过降低结温 、 减少器件的电应力 、 降低运行电流等措施使其 DC/DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的 MTBF 高达 100 万 h 以上。 效率化 为了使开关电源轻 、 小 、 薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。 而高频 化又必然使传统的 PWM 开关功耗加大 、 效率降低 、 噪声提高，且达不到高频 、 高效的预期效益，因此实现零电压导通 、 零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品的发展方向。 采用软开关技术可使效率达到 85%~88%。 据悉，美国 VICOR 开关电源公司设计制造了多种 ECZ 软开关 DC/DC 变换器，其最大输出功率有800W、 600W、 300W等，相应的功率密度为 W/cm W/cm3 和 W/cm3，效率为 80%~90%；日本 NemicLambda 公司推出一种采用软开关技术的高频 开关电源模块 RM 系列，开关频率为 200~300 kHz，功率密度为 ，用同步整流器（即用 MOSFER 代替肖特基二极管）使整个电路效率提高到 90%。 模块化 在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 6 控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。 近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。 在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。 上 世纪 90 年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量 、 更高电压的电源系统集成，产品设计中提高了集成度，出现了集成电力电子模块（ IPEM）。 IPEM 将功率器件与电路 、 控制以及检测 、 执行等元件集成封装的模块，既可用于标准设计，也可用于专用 、 特殊设计。 目前，可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。 无论是 AC/DC 或是 DC/DC 变换器都是朝着模块化方向发展，特点是：可用模块电源组成分布或电源系统；可以设计成 N+1 冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式结构，实现热更 换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并用可实现大功率电源系统。 此外，还可在电源系统建成后，根据需要扩充容量。 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义 :首先是显著节电 ,这意味着发电容量的节约 ,而发电是造成环境污染的重要原因 ,所以节电就可以减少对环境的污染。 其次这些电源不能 (或少 )对电网产生污染 ,国际电工委员会 (IEC)对此制定了一系列标准 ,如 IEC55 IEC91 IECl000 等。 事实上 ,许多电子节电设备 ,往往会变成对电网的污染源 ::向电网注入严重的高次谐波电流 ,使总功率因数下降 ,使电网电压耦合许多毛刺尖峰 ,甚至出现缺角和畸变。 20 世纪末 ,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生 ,有了多种修正功率因数的方法。 这些为 2l 世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。 随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现 ,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。 在传统的应用技术下 ,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。 为了极大发挥各种功率器件的特性 ,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小 ,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术 ,可使功率开关工作在零电压或零电流状态 ,从而可大大的 提高工作频率 ,提高开关电源工作效率 ,设计出性能优良的开关电源。 总而言之 ,开关电源技术因应用需求不断向前发展 ,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代 ,还会开拓更多更新的应用领域。 开关电源高频化、模块化、数字景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 7 化、绿色化等的实现 ,将标志着这些技术的成熟 ,实现高效率用电和高品质用电相结合。 开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋 ,因此 ,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动 ,并将很快发展起来。 还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。 ① 铁磁谐 振式交流稳压器：利用饱和扼流圈和相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。 磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。 它结构简单 ,制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠 ,过载能力较强。 但波形失真较大，稳定度不高。 近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压作用的电源装置。 它和磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同，而基本工作原理则相同。 它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重作用，所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。 ② 磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电 子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。 其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。 这类稳压器带有反馈控制的闭环系统，所以稳定度高，输出波形好。 但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。 又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。 ③ 滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。 这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。 但稳定度较低，恢复时间较长。 ④ 感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交 流电压获得稳定的装置。 它在结构上类似线绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。 它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。 但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。 另因铜、铁用料多，故较少生产。 ⑤ 晶闸管交流稳压器：用晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。 它具有稳定度高、反应快、无噪声等优点。 但因对市电波形有损害，对通信设备和电子设备造成干扰。 随着电源技术的发展 ,80 年代又出现了下列 3 种新型交流稳压电源 ： ① 补偿式交流稳压器：又称部分调整式稳压器。 利用补偿变压器的附加电压串接景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 8 在电源和负载之 间 ,随着输入电压的高低 ,用断续式的交流开关（接触器或晶闸管）或用连续式的伺服电动机来改变附加电压的大小或极性，把输入电压高出部分 (或不足部分 )减去 (或加上 )，从而达到稳压目的。 补偿变压器容量仅为输出功率的 1/7 左右 ,具有结构简单、造价低廉的优点，但稳定度不高。 ② 数控式交流稳压器和步进式稳压器：由逻辑元件或微处理机构成控制电路，按输入电压高低转换变压器初级匝数，使输出电压获得稳定。 ③ 净化式交流稳压器：由于具有良好的隔离作用，能消除来自电网的尖峰干扰而得到应用。 景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 9 2 稳压电源总体设计方案 设计概述 目前对直流小功率恒流方法的研究较多 ,而对交流恒流方法的研究较少。 交流稳流主要采用如下方法 :(1)用具有反馈系统的可控硅调相电路来实现稳流 ,但因为是调整截止角 ,将使正弦波严重畸变。 (2)采用反馈系统控制伺服电机 ,调节自耦调压器组成的电路来实现稳流 ,但由于电机和传动系统的机械惯性调整速度较慢且易产生振荡 ,难于实现稳定的调节。 (3)以铁磁元件为调整元件 (磁放大器 )的稳流线路 ,它的不足之处是 :因为磁惯性大响应时间较长。 磁系统会产生严重的波形畸变。 系统的功率因数低 研究内容 课题应能设计出一种 以电子开关为执行机构来控制多组变压器叠加的主回路补偿工作方式并和可控硅无级调节补偿绕组串联的一种最新颖的交流稳压电源，它具有稳压精度高、效率高、响应快、带负载能力强、电源波形失真小、无机械传动装置和碳刷磨损、免维护、工作可靠、噪音低、抗干扰能力强、并具有延时、过压、欠压保护功能。 技术指标 输入稳压范围：单相 187V－ 253V 频率 50Hz177。 2Hz 输出电压 220V177。 1% 源电压效应 ≤177。 1% 负载效应 ≤177。 1% 波形失真 ≤ 5%（附加） 输出功率 5kw 效率 ≥ 90%（满载） 欠过压保护 Vo≤ 186V 或 Vo≥ 254V 交流稳压电源的总体方案设计 景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 10 单相交流稳压电源的基本原理 图 为补偿式交流稳压器电路原理结构框图。 图中，由补偿变压器等组成补偿单元，用双向可控硅作开关器件组成无触点可控调节单元，控制电路由 A/D转换 (采样 )、单片机控制器、报警指示单元及保护单元组成。 当输入电压 Ui波动或负载电流变化时，通过采样变压器获取反馈电压，经 A/D转换输入单片机与基准值进行比较，由微机程序软 件进行判断处理，输出控制指令。 在电压过零同步脉冲的作用下，使相应的开关器件导通，切换对应的补偿变压器的组合绕组，改变补偿电压的值，从而快速地达到稳定输出电压 Uo的目的。 图 当 UiUon，时 (Uon 为额定电压 220V )， Ui 提供正补偿。 当 UiUon 时， Ui提供负补偿 : 当 Ui=Uon 时 ,Ui不提供补偿电压。 所以，一旦电网输入电压 Ui 偏离额定电压 Uon 时，单片机控制单元便调节双向可控硅的开关状态，来控制补偿变压器 TRi (i=1,2,3,4)的 Ui的补偿方式。 交流调整电路 补偿变压器的选择 根据稳压精度及输入电压范围的要求来选择补偿变压器的台数，本文选择 4台。 图 给出了交流调整电路中的交流调整电路。 图中， TR1 , TR2, TR3， TR4是四个独立的补偿变压器，其初级绕组上输入电压为 Uon( 220V )，其次级绕组上的补偿电压可以根据稳压精度的需要，设计为 , , ，。 当顺极性 (或反极性 )叠加全部投入时，可以获得最大正负补偿电压为 33V。 当 Us最小值为 时，稳压精度可优于 1%。 景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 11 根据补偿变压器的一次侧电 压和二次侧电压，结合整个电源的输出功率，就可确定各个补偿变压器的功率。 本文 输出功率为 5KW，则所有的补偿变压器输出功率都选为略大于 5KW，可以选择 6KW。 (1)补偿变压器 TR1: 其一次侧电压为 220V，二次侧电压为。 则其输出功率为 : Pb1=()*6kW=60W (2)补偿变压器 TR2: 其一次侧电压为 220V，二次侧电压为。 则其输出功率为 : Pb2=()*6kW=120W (3)补偿变压器 TR3: 其一次侧电压为 220V，二次侧电压为。 则 其输出功率为 : Pb3=()*6kVA=240VA 图 交流调整电路 (4)补偿变压器 TR4: 其一次侧电压为 220V，二次侧电压为。 则其输出功率为 : Pb3=()*6kw=480W 因此，四台补偿变压器的输出功率依次为 :60W,120W,240W， 480W。 双向可控制硅的选用 景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 12 交流调整电路中，所用开关器件的数目与补偿变压器的数目有关。 其规律是 : 开关器件的数目 =补偿变压器的台数 *2+2 其中后面的 +2，即公用桥臂上的两只开关器样 ，它与补偿变压器的台数无关。 如图 所示，只需要 10 个双向可控硅。 S1 和 S2 ， S3和 S4， S5和 S6， S7和 S8，分别为四台补偿变压器初级绕组端的控制开关， S9 和 S10 则是作为公共桥臂进行工作。 整个交流稳压电源系统，因为接入补偿变压器的不同 ,流经每组可控硅的最大电流随之不同。 具体情况如下 :Po=Uo*Io Io=Po/Uo=5KW/220V（次级）， I1=Io*（初级），如图 ： 图 初级绕组端的控制 电路 (1) S1 和 S2: 只接入补偿变压器 TR1，其补偿电压为 ，则 Imax=()*(5kVA/220V)= (2) S3 和 S4: 只接入补偿变压器 TR2，其补偿电压为 ，则 Imax=()*(5kVA/220V)== (3) S5 和 S6: 只接入补偿变压器 TR3，其补偿电压为 ，则 Imax=()*(5kVA/220V)= (4) S7 和 S8 只接入补偿变压器 TR4，其补偿电压为 ，则 景德镇陶瓷学院本科 生 毕业设计（论文） 13 Imax=()*(5kVA/220V)= (5) S9 和 S10 接入补偿变压器 TR1， TR2， TR3， TR4，其补偿电压为 33V，则 Imax=(33V/220V)*(5kVA/220V)= 四组可控硅的接入电压都是 220V。 按照器件参数的选择规律 ,耐压值一般为工作值的 4 倍左右 ,电流值一般为工作值的 34倍，那么，四组可控硅的选用如下 : (1) S1 和 S2,S3 和 S4 ,S5 和 S6， S7。