斩控式交流电子调压器设计

摘要
电能是目前人类生产和生活中最重要的一种能源形式。合理、高效、精确和方便地利用电能仍然是人类所面临的重大问题。对各种各样的电源装置提出的技术要求中，除了稳定性、可靠性、精确性、高效率等方面的要求外，小型化和轻量化也是十分迫切的需求。目前解决的主要手段有高频化、元器件和结构的小型化。采用电力电子技术的电源装置给电能的利用带来了革命。
在电力电子调压电源中目前主要应用晶闸管相控调压，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，并且输人功率因数较低。从国内外的研究现状来看，交流斩波调压控制技术是一种新型高性能交流调压技术，本文在分析斩控式交流调压器输出电压谐波分析的基础上，利用自动控制原理设计了一种交流调压方案。
论文首先从理论方面(主要是谐波分析方面)详细阐述了斩波调压的理论原理，之后针对原理提出本设计使用的主电路方案及IGBT缓冲电路。使用  STC1ZC541OAD单片机作为核心控制器件，实现带电压、电流检测的非互补控制，并实现过压保护。利用数字PID实现交流调压器的环路控制。
试验证明斩波控制交流调压器具有易滤波，输入电流和输出电压、电流波形好，对电源谐波污染小等优点，比晶闸管相控调压器有更多的优越性。
关键词：斩控式交流调压;非互补控制；数字PID

 Design of AC Voltage Regulator with Chop-Control

Abstract
Electric energy is one of the most important energy for the human production and life. Reasonable，efficient，accurate and easy to use electric energy is still a major Problem. Stability，reliability，accuracy and efficiency are important for power supply，but small size and light weight are also very pressing needs. At present，high frequency，small components and structures is the primary mean to solve the problem. Power electronics technology in the power supply brings a revolution in the use of electric energy.
The technique of Phase-control AC voltage regulator has a faster response time，which is less than a cycle voltage power. But the output voltage and current contains a lot of harmonic, so it requires a larger capacity filter and has low power factor. The technique of AC voltage regulator with chop-control is a new and   high-performance technology. Based on analysis of harmonic output voltage of chopping AC voltage regulator and automatic control theory, the paper designed an AC voltage regulator scheme.
This paper elaborated the theory of AC voltage regulator with chop-control at first, which was mainly about harmonic analysis. After that, the paper designed the main circuit, and IGBT buffer circuit. in order to achieve non-complementary control, the paper designed zero-voltage and current detection circuits. STC12C5410AD MCU as a core control devices. The loop of AC voltage regulator controlled by digital PID.
Chopping AC voltage regulator is easy to filter and the output voltage has fewer harmonics from experiment. Compared to phase-control AC voltage regulator，chopping AC voltage regulator has more advantages.
Key words: AC voltage regulator with chop-control; non-complementary control；Digital PID
  
 

摘要   I
目次  Ⅲ
1 绪论 1
1.1 交流调压电源的发展动向 1
1.1.1 高电压、大容量的发展方向 1
1.1.2 智能化、数字化的发展方向 1
1.1.3抗干扰、净化电源的发展方向 1
1.1.4 应用新器件，新原理，发展新型电源 2
1.2 电力电子技术在交流调压领域中的应用 2
1.3 课题的研究目的和意义 2
2 主电路的控制原理与设计 2
2.1 电力电子类交流调压控制方法 2
2.2  斩控式交流调压器输出电压的谐波分析 3
2.2.1 频率成分分析 3
2.2.2 谐波成分的频率 4
2.2.3 谐波成分与占空比之间的关系 5
2.3  主电路的拓扑结构选择 7
2.3.1 单管双向电子开关斩控式交流调压电路 7
2.3.2 单管反串联双向电子开关斩控式调压电路 7
2.3.3 双开关斩控式交流调压电路 8
2.4 主电路方案 8
2.5 输出滤波电路设计 11
2.5.1滤波器拓扑结构及数学模型 12
2.6 IGBT的缓冲电路及参数设计 12
2.7电路仿真验证 14
3  控制电路设计 15
3.1 控制电路的构成及其工作原理 15
3.1.1  STCI2C5410AD单片机主要性能: 15
3.1.2单片机外围电路及其主要功能 16
3.2电压、电流通过零检测电路 18
3.2.1 LM311简介 18
3.2.2 电压过零检测电路 18
3.2.3 电流过零检测电路 20
3.3.2  IGBT驱动器件 23
4 单片机控制系统的调节原理和算法 25
4.1  数字控制算法 25
4.1.1  PID的控制规律 25
4.2  数字滤波技术 26
5  控制系统软件设计 27
5.1 模块的工作原理及其应用 27
5.1.1  定时/计数器 27
5.1.2  捕捉模式及在过零检测中的应用 28
5.1.3 可调制脉宽输出模式 29
5.2  定时器中断产生可调 30
5.3   AD转换程序实现 30
5.4  带电压、电流检测的非互补控制程序实现 31
6 实验结果及分析 33
6.1 电压检测信号波形 33
6.2  IGBT 栅极驱动波形 33
6.2.1 斩波控制IGBT的驱动信号 33
6.3 主回路在斩波输出波形 34
7 总结 37
参 考 文 献 38
致 谢 39
附录1 40
附录2 41