斬控式交流電子調壓器設計

摘要   I
目次  Ⅲ
1 緒論 1
1.1 交流調壓電源的發展動向 1
1.1.1 高電壓、大容量的發展方向 1
1.1.2 智能化、數字化的發展方向 1
1.1.3抗干擾、凈化電源的發展方向 1
1.1.4 應用新器件，新原理，發展新型電源 2
1.2 電力電子技術在交流調壓領域中的應用 2
1.3 課題的研究目的和意義 2
2 主電路的控制原理與設計 2
2.1 電力電子類交流調壓控制方法 2
2.2  斬控式交流調壓器輸出電壓的諧波分析 3
2.2.1 頻率成分分析 3
2.2.2 諧波成分的頻率 4
2.2.3 諧波成分與占空比之間的關系 5
2.3  主電路的拓撲結構選擇 7
2.3.1 單管雙向電子開關斬控式交流調壓電路 7
2.3.2 單管反串聯雙向電子開關斬控式調壓電路 7
2.3.3 雙開關斬控式交流調壓電路 8
2.4 主電路方案 8
2.5 輸出濾波電路設計 11
2.5.1濾波器拓撲結構及數學模型 12
2.6 IGBT的緩沖電路及參數設計 12
2.7電路仿真驗證 14
3  控制電路設計 15
3.1 控制電路的構成及其工作原理 15
3.1.1  STCI2C5410AD單片機主要性能: 15
3.1.2單片機外圍電路及其主要功能 16
3.2電壓、電流通過零檢測電路 18
3.2.1 LM311簡介 18
3.2.2 電壓過零檢測電路 18
3.2.3 電流過零檢測電路 20
3.3.2  IGBT驅動器件 23
4 單片機控制系統的調節原理和算法 25
4.1  數字控制算法 25
4.1.1  PID的控制規律 25
4.2  數字濾波技術 26
5  控制系統軟件設計 27
5.1 模塊的工作原理及其應用 27
5.1.1  定時/計數器 27
5.1.2  捕捉模式及在過零檢測中的應用 28
5.1.3 可調制脈寬輸出模式 29
5.2  定時器中斷產生可調 30
5.3   AD轉換程序實現 30
5.4  帶電壓、電流檢測的非互補控制程序實現 31
6 實驗結果及分析 33
6.1 電壓檢測信號波形 33
6.2  IGBT 柵極驅動波形 33
6.2.1 斬波控制IGBT的驅動信號 33
6.3 主回路在斬波輸出波形 34
7 總結 37
參 考 文 獻 38
致 謝 39
附錄1 40
附錄2 41

摘要
電能是目前人類生產和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問題。對各種各樣的電源裝置提出的技術要求中，除了穩定性、可靠性、精確性、高效率等方面的要求外，小型化和輕量化也是十分迫切的需求。目前解決的主要手段有高頻化、元器件和結構的小型化。采用電力電子技術的電源裝置給電能的利用帶來了革命。
在電力電子調壓電源中目前主要應用晶閘管相控調壓，由于采用了各周期相控技術，其響應時間可以小于一個電網電壓周期。但其輸出電壓和電流的諧波含量較高，需要較大容量的濾波環節，并且輸人功率因數較低。從國內外的研究現狀來看，交流斬波調壓控制技術是一種新型高性能交流調壓技術，本文在分析斬控式交流調壓器輸出電壓諧波分析的基礎上，利用自動控制原理設計了一種交流調壓方案。
論文首先從理論方面(主要是諧波分析方面)詳細闡述了斬波調壓的理論原理，之后針對原理提出本設計使用的主電路方案及IGBT緩沖電路。使用  STC1ZC541OAD單片機作為核心控制器件，實現帶電壓、電流檢測的非互補控制，并實現過壓保護。利用數字PID實現交流調壓器的環路控制。
試驗證明斬波控制交流調壓器具有易濾波，輸入電流和輸出電壓、電流波形好，對電源諧波污染小等優點，比晶閘管相控調壓器有更多的優越性。
關鍵詞：斬控式交流調壓;非互補控制；數字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