基于串聯(lián)型電壓自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器與交流斬波補(bǔ)償器

1、基于交流斬波器電壓補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)電壓調(diào)節(jié)器摘要：本文提出了基于ac斬波器電壓補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)電壓調(diào)節(jié)器（avr）。所提出的avr由脈沖寬度調(diào)制（pwm）交流斬波器和電壓補(bǔ)償變換器組成。交流斬波器的切換問(wèn)題由開關(guān)模式進(jìn)行解決，交流斬波器在沒(méi)有斬波器的情況下直接進(jìn)行ac-ac功率轉(zhuǎn)換，所以減少了avr的體積和成本。交流斬波器僅僅補(bǔ)償所需的電壓，所以降低了開關(guān)的切換頻率和損耗。使用旁路開關(guān)，使得所提出的avr 不僅可以補(bǔ)償電壓暫降同時(shí)也補(bǔ)償輸入電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的avr能夠快速補(bǔ)償電壓跌落和輸入電壓的過(guò)剩。1 引言自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（avr ），是一種被稱為線路調(diào)節(jié)器的裝置，它能自動(dòng)地調(diào)節(jié)輸出電壓。電源線

2、干擾可能會(huì)導(dǎo)致敏感的設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重問(wèn)題，如計(jì)算機(jī)，通訊設(shè)備和過(guò)程控制系統(tǒng)1。與增加使用敏感設(shè)備相比，電壓驟降和膨脹在今天所面臨的工業(yè)客戶中已被確定為重要的電能質(zhì)量問(wèn)題。以提高敏感設(shè)備的可靠性，解決功率質(zhì)量問(wèn)題，特別是電壓跌落和膨脹的許多方法已被提出。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)（dvr）與直流母線電容相連的有關(guān)報(bào)道，用以保護(hù)敏感負(fù)載免受電壓跌落和膨脹2-5。但是，在dvr的功率轉(zhuǎn)換器提供了間接的ac-ac功率轉(zhuǎn)換，這意味著有如下可能的缺點(diǎn)：如在功率半導(dǎo)體器件的多個(gè)設(shè)備的計(jì)數(shù)中，相比直接ac-ac電源轉(zhuǎn)換會(huì)有更多損失和較低的效率。此外，該直流鏈路電容器作為能量存儲(chǔ)元件，由于它的尺寸和維修問(wèn)題而成為一個(gè)難題3。為了

3、克服這些缺點(diǎn)， 在avr基于脈沖寬度調(diào)制（pwm）的交流斬波器，也被稱為矩陣轉(zhuǎn)換器，可以考慮實(shí)現(xiàn)直接ac-ac電源轉(zhuǎn)換。 avr單片機(jī)的基礎(chǔ)上與交流斬波電壓串聯(lián)補(bǔ)償模型框圖如圖1所示。交流斬波器是基于一個(gè)變壓器輸出電壓補(bǔ)償降壓轉(zhuǎn)換器的配置。輸入電壓被分成幾部分，并且輸出電壓是通過(guò)控制占空比決定。然而，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)交流斬波器需要有換向問(wèn)題和復(fù)雜性的控制電路的雙向開關(guān)。換向問(wèn)題導(dǎo)致高電壓尖峰，這就限制了額定功率。開關(guān)的換向是關(guān)鍵的，當(dāng)電流路徑被改變，必須提供一個(gè)替代它的電流路徑。此替代的電流路徑是使用額外的雙向開關(guān)或緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)的6。然而，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是很困難和昂貴的。此外，該開關(guān)的電壓應(yīng)力也

4、很高，所以使得avr的可靠性降低。因此交流斬波沒(méi)有換向的問(wèn)題11-13和針對(duì)該ac斬波器已經(jīng)被提出14-15 。然而，這些avr單片機(jī)只能補(bǔ)償電壓跌落，而不是降低電壓驟升。因此，已經(jīng)提出的avr ，其能夠補(bǔ)償無(wú)串聯(lián)的變壓器 16-19 。這些avr單片機(jī)可以彌補(bǔ)這兩個(gè)電壓的驟降和提升。然而，這些avr單片機(jī)處理系統(tǒng)功率容量的100。因此，這些avr系列有較高的電壓和開關(guān)的電流應(yīng)力與用一系列變壓器補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器，用于和補(bǔ)償?shù)腶vr比較。幾個(gè)轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在20提出。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由一個(gè)直接的ac-ac轉(zhuǎn)換器和變壓器的串聯(lián)電壓補(bǔ)償。然而，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有許多開關(guān)裝置和復(fù)雜的電源電路。在本文中，在基于

5、與交流斬波系列電壓補(bǔ)償avr的建議下。建議由avr的交流斬波器和變壓器串聯(lián)電壓補(bǔ)償。交流斬波器僅僅補(bǔ)償所需要的電壓，所以開關(guān)具有降低額定值和應(yīng)力。使用旁路開關(guān)，使得所提出的avr可以為電壓驟降同時(shí)也為輸入電壓的電壓膨脹補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提出的avr快速補(bǔ)償電壓跌落和輸入電壓的膨脹。圖1 基于串聯(lián)電壓補(bǔ)償avr的模型框圖 2 提出的avr的工作原理2.1 建議中的avr的說(shuō)明所提出的avr的電源電路示于圖2，補(bǔ)償電壓v是由其用于共同補(bǔ)償?shù)膯蜗嘟祲航涣鲾夭ㄆ魃伞?s 1，s 2，s 3和s 4是avr單片機(jī)的開關(guān)。 t是一個(gè)變壓器，以補(bǔ)償輸入電壓vi和穩(wěn)定的輸出電壓v0 。 np1和np2是初

6、級(jí)繞組的匝數(shù)，其中，np1 np2和ns是次級(jí)繞組的匝數(shù)。初級(jí)繞組的變壓器具有中心抽頭。濾波電容器電壓vc通過(guò)t被轉(zhuǎn)化成vc0，vr是斬波調(diào)制電壓和v l是電感的電壓。 avr的系統(tǒng)使用的pwm控制器產(chǎn)生和調(diào)制的pwm信號(hào)，并且控制ac斬波器的輸出端。在擬議的avr中使用的交流斬波器的電路示于圖3。這種交流斬波由四個(gè)開關(guān)，一個(gè)電感器和電容器構(gòu)成。輸出電壓可以由斬波脈沖的占空比來(lái)控制。低通濾波器用于過(guò)濾的交流斬波器的輸出的諧波分量。 l是濾波器的電感，c為濾波電容，rl是交流斬波器的等效電阻。由于存儲(chǔ)在電感中的能量，直流緩沖器c b被直接添加到功率半導(dǎo)體開關(guān)和吸收的能量。交流斬波器提供直ac-a

7、c轉(zhuǎn)換而不能量存儲(chǔ)元件，例如一個(gè)平滑電抗器或平滑電容器。因此， avr的尺寸和成本降低。交流斬波器補(bǔ)償只能從所需電壓的偏差，所以交換機(jī)降低了評(píng)分和應(yīng)力有了avrs技術(shù)的比較處理系統(tǒng)功率容量的100。圖2 提出的avr的電源電路圖3 在提出的avr中所采用的pwm交流斬波器的電源電路在圖2中s b1和s b2被用作旁路開關(guān)，它是三端雙向可控硅或備份到后端連接的晶閘管和它們?cè)试S的雙向電流流動(dòng)。如果短路出現(xiàn)在avr ，大電流在補(bǔ)償變壓器的初級(jí)產(chǎn)生，從而影響對(duì)avr的動(dòng)作。這樣大的電流流過(guò)斬波器和可破壞斬波因?yàn)槌跫?jí)繞組補(bǔ)償變壓器的不能在開放電路進(jìn)行操作。因此，在avr可能遭受嚴(yán)重的損害。由于這些原因，

8、旁路開關(guān)必須提供。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，旁路開關(guān)由旁路電路進(jìn)行所述變壓器的次級(jí)電流。因此，短路電流循環(huán)通過(guò)旁路開關(guān)。使用旁路開關(guān)，使得所提出的avr可以補(bǔ)償電壓跌落也為輸入電壓的膨脹補(bǔ)償。當(dāng)檢測(cè)到跌落時(shí)， avr的電壓暫降的條件下運(yùn)行。下的電壓跌落狀態(tài)，s b1接通和s b2被關(guān)閉。此時(shí)，補(bǔ)償電壓vco是同相輸入電壓。然后， v co被添加到輸入電壓，所以對(duì)avr可以補(bǔ)償電壓驟降。當(dāng)檢測(cè)到的膨脹性，avr的電壓溶脹條件下工作。下的電壓 - 溶脹條件，s b1被關(guān)閉和s b2被接通。此時(shí)，補(bǔ)償電壓v變?yōu)楣餐妮斎腚妷悍聪?。然后，vco從輸入電壓中減去，從而對(duì)avr可以補(bǔ)償電壓膨脹。2.2建議中的avr的

9、操作模式輸出電壓是通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來(lái)控制。的切換模式是由在avr輸入電壓的極性決定的，各開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)示于圖4。圖4 驅(qū)動(dòng)開關(guān)的信號(hào)td為死區(qū)時(shí)間為安全換流，ts為開關(guān)周期，d為s 1和s 2的占空比。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的開關(guān)模式示于表1：在輸入電壓的正半周期，開關(guān)s 2和s 4是設(shè)定為導(dǎo)通，并且開關(guān)s 1和s 3被進(jìn)行pwm驅(qū)動(dòng)。在輸入電壓的負(fù)半周期中，開關(guān)s 1和s 3被設(shè)置為導(dǎo)通，而開關(guān)s 2和s 4通過(guò)pwm驅(qū)動(dòng)。如果所有的交換機(jī)上發(fā)生短路時(shí)，如果關(guān)閉所有開關(guān)，電壓尖峰損壞在avr的開關(guān)。因此，一個(gè)開關(guān)周期具有一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以防止開關(guān)的電流尖峰。在同一時(shí)間，在開關(guān)周期建立對(duì)所述電感器的電

10、流通路，以避免電壓尖峰安全換向兩個(gè)開關(guān)被設(shè)定為導(dǎo)通，兩個(gè)開關(guān)由pwm期間輸入電壓的半周期驅(qū)動(dòng)。因此，與具有由pwm驅(qū)動(dòng)四個(gè)開關(guān)的avr相比，開關(guān)損耗降低。所提出的avr的動(dòng)作波形示于圖5：圖5 提出的avr的工作波形a 在電壓驟降的情況下b 在電壓膨脹的情況下其示出了輸入電壓，開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，斬波器調(diào)制的電壓，補(bǔ)償電壓和輸出電壓。根據(jù)所述電壓暫降的條件下， vco是同相輸入電壓，如圖5a所示下的電壓-溶脹條件下， vco變成與輸入電壓反相，如圖5b所示。所提出的avr具有在一個(gè)開關(guān)周期四種操作模式，如圖4中的電壓暫降的條件下每個(gè)操作模式下的等效電路示于圖6，在圖6中，粗線表示可能的電流通過(guò)和z

11、0是負(fù)載阻抗。 sb1接通和s b2上，在此條件下被關(guān)閉。模式1 t0，t1：該模式是指當(dāng)開關(guān)s1和s2被導(dǎo)通，如圖4所示，電感電流il進(jìn)行到s1和整個(gè)第2二極管時(shí)為il0 ，如在圖6a中所示。電感器電流il進(jìn)行到s2和跨越第1二極管為il0時(shí)，該模式被定義為開關(guān)s1和s3的死區(qū)時(shí)間，如圖所示4a。開關(guān)s2和s4被開啟安全換向. 如果il 0時(shí)，il是通過(guò)輸出端使用橫跨s 3 s4和二極管旁路，如圖所示6c。如果il 0時(shí)， il是通過(guò)輸出端使用橫跨s1 s2和二極管旁路，如圖所示6d。當(dāng)vi 0時(shí)， il是通過(guò)輸出端使用跨越第4章第3和二極管旁路，如圖所示6e。如果il 0時(shí)，如圖6g所示。

12、電感器電流il進(jìn)行到s 3和跨越第4二極管為il 0時(shí) b模式2 vi0 且 il 0時(shí)c 模式3 vi0且 il 0時(shí) d模式4 il0時(shí)因此，il續(xù)流至s3和s4 。在這種模式下，電感器電壓可以寫成如下: 因此，電流通過(guò)電感減小，并且儲(chǔ)存在電感l(wèi)中的能量進(jìn)行放電。模式4t 3 t4：這個(gè)模式的說(shuō)明被省略 ，因?yàn)槟Ｊ?的操作是類似的模式2的操作，在這些切換模式時(shí)，短路不被所述死區(qū)時(shí)間生成的。此外，對(duì)電感器電流的電流路徑總是存在的任何電流方向。由此，換向問(wèn)題是由這些開關(guān)模式.在電壓溶脹條件解決時(shí)，操作模式類似，只是旁路開關(guān)sb1被關(guān)閉和sb2接通的電壓跌落狀態(tài)。因此，對(duì)這種情況進(jìn)行說(shuō)明的被省略

13、了。3 理論分析3.1 穩(wěn)態(tài)分析圖7提出的avr的等效電路a 在電壓驟降的情況下b 在電壓膨脹的情況下圖7示出了一個(gè)電路，它等效于所提出的avr。死區(qū)時(shí)間被忽略了分析。濾波電感l(wèi)和電容c被設(shè)計(jì)成滿足以下的條件： 其中v=2f是角線頻率，n為變壓器匝數(shù)比ns/ np= ns/ n p1= ns/ n p2。從這種情況，下面的情況也被滿足： 這種情況一般是在滿足實(shí)用濾波器設(shè)計(jì)。平均斬波器調(diào)制的電壓vr被獲得作為 因此，在一個(gè)開關(guān)周期ts平均方程如下得到 根據(jù)電壓跌落狀態(tài)（6）和（7）的轉(zhuǎn)換如下代（9）代入（8），可以得到下面的微分方程從（10），該傳遞函數(shù)可求得 因此，總的電壓增益被獲得作為 用（

14、3）中，總電壓增益簡(jiǎn)化為 使用（4）中，電壓暫降條件下的理想的總電壓增益簡(jiǎn)化為 同樣地，電壓驟升條件下的總電壓增益獲得 然后，總的電壓增益簡(jiǎn)化為3.2匝數(shù)比的設(shè)計(jì)方程變壓器的匝數(shù)比決定于最大變化范圍的輸入電壓。所需的匝數(shù)比是基于所述補(bǔ)償電壓的百分比,補(bǔ)償電壓的百分?jǐn)?shù)被定義為: 其中v imin和v nom分別為是允許的最小輸入電壓和額定線電壓,設(shè)計(jì) 匝數(shù)比的方程可表示為: 3.3 電感電流和電容的紋波電壓電感器電流il的脈動(dòng)可以推導(dǎo): 其中fs為開關(guān)頻率。因而，電感器可以由開關(guān)頻率，紋波電流和 占空比決定。電容器電壓的脈動(dòng)推導(dǎo)是: 因此，電容器可以通過(guò)開關(guān)來(lái)確定頻率，紋波電壓和紋波電流。4 實(shí)

15、驗(yàn)結(jié)果為了驗(yàn)證圖2所提出的avr的性能，硬件電路實(shí)施。建議中的avr的評(píng)級(jí)是專為3千伏安，用3 kva的60赫茲和220伏額定輸入/輸出電壓來(lái)實(shí)驗(yàn)。開關(guān)頻率被確定為15 khz和死區(qū)時(shí)間為2毫秒。負(fù)載為純阻性負(fù)載。用于實(shí)驗(yàn)的avr其它參數(shù)給出如下：圖 8 提出的avr的實(shí)驗(yàn)波形 輸入電壓vi和輸入電流il的實(shí)驗(yàn)波形示于圖8a中。輸入電壓和電流是已知的近正弦波。輸出電壓v0和輸出電流io示于圖圖8b 。輸出電壓和電流接近正弦波和輸出電壓的調(diào)節(jié)帶220 v的斬波調(diào)制電壓vr和電感器電流il示于圖8c中。輸入電壓vi的實(shí)驗(yàn)波形，驅(qū)動(dòng)器，開關(guān)s 1的信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)開關(guān)s 2的信號(hào)示于圖9a。開關(guān)s 3和

16、s 4的輸入電壓vi和驅(qū)動(dòng)信號(hào)示于圖9b。圖9 輸入電壓和驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)波形信號(hào)需要注意的是，輸入電壓的正半周期期間，開關(guān)s2和s4是設(shè)定為導(dǎo)通，并且開關(guān)s1和s3被按照一個(gè)恒定的占空比操作。另一方面，在輸入電壓的負(fù)半周期期間，開關(guān)s 1和s3被設(shè)置為導(dǎo)通，并且開關(guān)s2和s4是根據(jù)一個(gè)恒定的占空比操作。當(dāng)輸入電壓具有25的降落，輸入電壓和輸出電壓波形示于圖10a ，輸出電壓變?yōu)樗谕?20伏范圍內(nèi)的半周期所建議的avr 。當(dāng)輸入電壓具有25的提升，輸入電壓和輸出電壓波形示于圖10b ，輸出電壓變?yōu)樗Ｍ?20伏范圍內(nèi)的半周期。因此，所提出的avr迅速地補(bǔ)償了電壓暫降和輸入電壓的膨脹。圖10

17、實(shí)驗(yàn)波形的輸出電壓和輸入電壓5 結(jié)論本文提出了一種基于與交流斬波系列電壓補(bǔ)償?shù)腶vr。建議avr包含一個(gè)pwm交流斬波器和變壓器串聯(lián)電壓補(bǔ)償。交流斬波器提供了直接的ac-ac電源轉(zhuǎn)換。由于這種特征使得對(duì)avr不需要能量存儲(chǔ)元件，而且對(duì)avr的尺寸和成本降低。交流斬波器補(bǔ)償了僅由所需電壓產(chǎn)生的偏差，所以，開關(guān)的額定值和應(yīng)力都減小。在切換模式時(shí)，短路防止通過(guò)使用死區(qū)時(shí)間。此外，對(duì)電感器電流的電流路徑總是存在的任何電流方向，使換流問(wèn)題通過(guò)切換模式求解。此外，使用旁路開關(guān)，所提出的avr不僅可以用于電壓暫降也為輸入電壓的電壓膨脹補(bǔ)償。 avr的工作原理，并給出了3千伏安原型實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了電路的跌落和膨脹

18、的補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該avr的輸入的半周期內(nèi)電壓跌落和膨脹補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)1 bhavaraju, v.b., enjeti, p.: a fast active power filter to correct line voltage sags, ieee trans. ind. electron., 1994, 41, pp. 3333382 sasitharan, s., mishra, m.k.: constant switching frequency band controller for dynamic voltage restorer, iet power electron.,

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