一种智能三相补偿式大功率交流稳压电源的设计

丁南菊 无锡科技职业学院 江苏无锡 214028

姬长宝 江苏省淮阴市华能电厂 江苏淮阴 223300

【文章摘要】

介绍了一种用AVR 单片机控制的三相大功率补偿式稳压电源的工作原理、组成结构，详细阐述了双向晶闸管的调压原理及电压采样处理方法，给出了电路图，还介绍了该交流稳压电源的软件设计思路及经使用测试出的指标。

【关键词】

单片机; 稳压电源; 补偿式; 双向晶闸管

电网电压由于供电供求的矛盾，造成电网电压不稳，边远地区长期供电不足， 而越来越多的高精度负载对输入电源特别是对交流输入电源的稳压精度要求越来越高。传统的稳压电源用继电器改变变压器抽头及以碳刷移动触点的机械式控制方式，缺点是机械磨损严重、动态响应速度慢、工作寿命短等，为改变这种情况，设计了一种用单片机控制的无触点自动补偿式三相交流稳压电源，能根据使用场合设置参数，并能显示工作状态及数值。

1 稳压原理

补偿式稳压电源是利用增加补偿环节实现输出电压的稳定，工作原理如图1 所示。

图1 补偿式稳压原理

图中各电压有如下关系：

式中为输入电压，为补偿电压， 为输出电压，该式说明如果由于输入电压或负载变动而引起输出电压变动时，只要改变补偿电压的大小和方向，就能使上面等式仍然成立，保持输出电压的大小不变，这种采用从外部引入一大小和方向均可变的补偿电压来补偿输入电压或负载变化而使输出电压保持不变的方式就是“补偿式”稳压原理。

2 硬件电路设计

2.1 稳压电源结构与原理

如图2 所示，三相交流稳压电源由单片机电路、补偿电路、采样电路、A/D 转换电路、液晶显示及按键输入电路等部分组成，稳压电源采用三相分调补偿方式，设计容量为100kVA，对于这种大功率的交流稳压电源如果其稳压方式采用三相统

图2 稳压电源结构

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调方式，则由于容量大后带的负荷也更为复杂，稳压时由于三相负荷的不平衡造成的三相中性点偏移就更为严重，稳压的精度也大受影响，为此要保证各相输出电压的精度，就必须分别对每一相进行独立稳压后，再组成三相大功率交流稳压电源。

图中A、B、C 三相分设三个单独的补偿电路，补偿电路由补偿变压器和调节换向电路组成，用双向晶闸管作开关器件组成无触点可控调节单元。当输入电压Ui 波动或负载电流变化时，通过采样电路获取反馈电压，经A/D 转换，输入单片机与额定值进行比较，由微机程序软件进行判断处理，输出控制指令，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。

考虑到单片单片机的资源有限及提高系统的可靠性，系统共采用四片AVR 单片机控制，主单片机为ATMEGA32，子单片机为ATMEGA8，主单片机主要负责电压、电流值的采样、处理及做出判断，向子单片机输出调节指令，按键输入设定系统参数，液晶显示器显示工作状态，检测过压、欠压、过载、保险丝熔断等情况做出提示及保护。子单片机负责调节指令的执行，三个子单片机分别控制三相电路的一相。主单片机与子单片机之间采用串口通信。

AVR 单片机自带的A/D 转换精度为10 位，达不到系统的精度要求，所以采用

表1 工作状态中晶闸管通断设置

图4 A 相调节换向电路中晶闸管T1、T2 桥臂电路

图3 变压器补偿电路

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片外的A/D 转换芯片MAX187，转换精度为12 位，满足系统的使用要求。

2.2 补偿电路

补偿电路包括补偿变压器及调节换向电路，电路如图3、4 所示，为三相中的A 相，其他两相完全相同。

根据补偿电压范围，系统采用分组补偿的方式。图 3 中，TR1、TR2、TR3 分别为极性可单独改变的补偿变压器，其初级绕组上输入电压为Uo，其次级绕组上的补偿电压设计为±5V、±10V、±20V 等。经串联组合可得补偿值为±0V、 ±5V、 ±10、 ±15V、±20V、 ±25V、 ±30V、 ±35V，共计 15 档。

如图3 所示，每相有4 条桥臂，每条桥臂需要两个双向晶闸管。T1 和T2、T3 和T4、T5 和T6 分别为三台补偿变压器初级绕组端的控制开关，T7 和T8 则是作为公共桥臂进行工作，整个交流稳压电源系统，三相共需24 个双向晶闸管开关进行控制。设 I1、 I2、 I3 、I4 分别是流过 T1、 T3、 T5 、T8 或T2、T4、T6、T7 的电流有效值，当单独接通一组时补偿变压器原边的电流约为：I= （ΔU/220V）×（33kVA/220V），也就是流过双向晶闸管桥臂的最大电流，分别约为3.4A、6.8A、13.6A，公共桥臂电流约为I4=I1+I2+I3=23.8A。按照器件参数的选择规律，四个桥臂统一采用晶闸管模块MTC-95-16，内部有两个单向晶闸管，耐压值高，最大可达到2400V，通态平均电流95A，符合电路的使用要求，两个单向晶闸管连接成双向晶闸管的模式使用。

调节换向电路的控制在串联补偿式交流稳压电源中起着非常关键的作用。在主电路的每一级补偿电路中，在工作状态中必须保持同一桥臂的两个晶闸管有一个处于导通状态，避免当补偿变压器初级绕组开路导致电压过高而发生事故。根据接入补偿电压的大小对应的双向晶闸管的的通断控制设置情况如表1 所示。在工作状态切换的间隙存在同一桥臂的两个双向晶闸管短暂同时关断，通过在补偿变压器的初级绕组并联一支RC 串联电路的方法进行抑制。

图6 主单片机程序流程

表2 过渡过程中晶闸管的通断设置

图7 子单片机程序流程

图5 电压、电流采样处理电路026

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此外还要设计互锁电路，防止由于同一个桥臂的两个晶闸管同时导通引起短路事故。以A 相调节换向电路中晶闸管T1、T2 构成的一条桥臂为例，如图4 所示，子单片机的PB0、PB1 口输出信号通过三极管去驱动继电器，利用继电器的触点RJ1B 和RJ2B 实现互锁。如图4 所示为一条桥臂，在一相中还有同样的3 条桥臂， 由子单片机的PB2~PB7 口控制，具有同样的互锁功能。图中电阻R1、R2、R3，二极管D9、D10 的接法使晶闸管的控制极电压在交流电压过零之后快速加上门槛电压，保证双向晶闸管在交流电路中能快速切换双向导通。

2.3 电压、电流采样处理电路

为了降低产品成本，同时解决隔离问题，交流电压及电流采用电压及电流互感器，电压的测量选用DVDI- 001M 型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器， 电压测量范围为0~1000V，这种通用型互感器是由2 个相同副线圈构成的电流互感器，其输出信号为电流，首先应经过I/U 变换，将电流信号转换为电压信号，可在电压互感器二次侧接一个运算放大器，提高测量的线性度。电路接线如图5 所示。电压互感器一次侧接工频输入电压，R11 起限流作用，一次侧电流与二次侧电流相同，R11 取100kΩ，在输入电压0~295V 范围，互感器输出电流为0~2.95mA，运算放大器U2 的反馈电阻R12 取1kΩ，则运放U2 输出电压Vout1 为0~2.95V，考虑到后面A/D 转换的电压值范围为0~4.096V， 则经过电阻分压输出1/2Vout1，电压互感器的信号经过运放U2 的输出为交流电压信号，而A/D 转换芯片MAX187 的输入电压为正值，所以要再加一个差分放大电路，使前级输出电压波形正向平移2V， 2V 的提升电压来自MAX187，A/D 转换采用内部参考电压，则参考电压端输出4.096V 的电压，经过电阻分压得到2V 的提升电压加到运放U5 的输入端。这样保证了A/D 的输入信号在0~4.096V 之间， 满足了系统硬件的工作要求。U2 输出的信号到后极处理时，会造成压降损失，特别是在模拟电子开关CD4051 上会有一定压降，通过电位器W2 的微调能进行补偿。

电流互感器根据用电负载的电流大小，选用不同额定电流的电流互感器，保证电流测量的线性输出，提高采集数据的精确度，转换电路与电压互感器类似，在这里不再复述。单片机同时要采集三相电压及电流六个信号，为节约芯片使用数量及单片机的I/O 口资源，使用8 通道数字控制模拟电子开关CD4051，每次通过一路信号送至A/D 转换，由主单片机的PD5、PD6、PD7 输出二进制信号进行轮流选通采样。

3 软件设计

3.1 主单片机软件设计

如图6 所示为主单片机的程序流程。

为使交流稳压电源的使用场合较广， 编写了通用型强的程序，可以通过按钮设定多个设备参数：（1）输出电压额定值的设定，可在200V~240V 的范围变动，补偿由于地区不同、距离不同、负载不同造成的电压偏差，使用电器能在220V 的额定电压下工作。（2）输出电压的精度的设定， 可在4V~10V 的范围变动，适应一些特殊的用电设备造成的小范围的电压的波动， 提高工作的稳定度。（3）过载率的设定，可在额定容量的50%~130% 的范围变动，起到输出限流或防止过流损坏的事故。（4） 电流互感器互感比的设定，根据所选的电流互感器，可选择设定的互感比有1000:1、2000:1、3000:1、5000:1。这些设定好的设备参数存储在单片机的E2PROM 中，在开机时读入，控制稳压电源的工作状态。

A、B、C 三相电压采用分调调节的方式。电压控制调节的方法为：当输出电压值< 额定电压值- 精度值，则增大调节数据，见表1 ；当输出电压值> 额定电压值+ 精度值，则减小调节数据，见表1。调节数据由主单片机通过串行口发送至子单片机，由子单片机输出调节控制信号去接通或关断晶闸管，从而接入或断开相应的补偿变压器，达到稳压。

单片机对一个周期的电压、电流值连续采样500 个点，对采样的数据用加权滑动平均滤波法进行平滑处理，消除干扰，取最大值与最小值之差得到峰峰值，算出有效值，再去实时显示电压、电流值，以及进行比较判断，去控制补偿变压器稳压。

此外主单片机还控制保护电路，当输入电压欠压（小于180V）、过压（大于255V）、过载、保险丝熔断时，液晶显示器显示信息并切断输出，防止稳压电源及负载出现故障。

3.2 子单片机软件设计

如图7 所示为子单片机的程序流程， 三台子机的程序完全相同。

由于主机与子机之间采用串行通信， 三台子机要预先设置不同的地址，使用单片机的PD5~PD7 口进行设置，子机1PD5 接地，子机2PD6 接地，子机3PD7 接地， 数据读入单片机，作为本机的编号。编号存储在子机的E2PROM 中。主机发送至子机的数据完全相同，每台子机根据自身的编号取相应的数据。程序初始化之后读的E2PROM 的值就是本机的编号。

子机采用中断的方式接收主单片机发送的电压调节数据，一旦检测到新的数据，单片机进行电压调节，每组调节数据（见表1）之间设置一个过渡调节数据，过渡调节数据的设置原则是：如果某一桥臂的两个双向晶闸管导通和断开的状态要互换，则在变换之前，让那一路的两个双向晶闸管全部断开20ms，这样保证了同一桥臂上的两组晶闸管不会在切换瞬间同时导通而引起短路事故。电压调节时晶闸管的过渡通断状态设置如表2 所示。

子机还负责判断本相输出端保险丝的熔断情况，如果检测到熔断，则把信息通过串行口发送至主机，由主机显示状态并切断输出。

4 结论

该设计利用电力电子和微机控制技术，实现了串联补偿式三相交流电稳压， 主开关采用晶闸管实现无触点控制，动态响应快、使用寿命长，双向晶闸管过零触发导通，输出的交流电压波形是连续的且几乎不失真。具有过压、欠压、过载、短路保护功能，实时显示电压、电流及工作状态，使操作者一目了然。整机信价比高，通用性强，可根据不同使用场合设定相应的参数。经测试其主要性能指标如下：

额定输出容量：100kVA，每相33kVA

稳压范围：185V~255V，50Hz

额定输出电压：220V

输出电压可偏移范围：200~240V

输出电压稳压精度可调节范围： ±4V~±10V

过载率可调节范围：50%~130%

动态响应时间：0.04s~0.07s

【参考文献】

[1] 徐远根, 刘敏，乔恩明. 现代电力电子元器件识别、检测及应用[M]. 北京: 北京电力出版社,2010.

[2] 刘莹，苏玮，张岳立，詹忠凯. 智能串联补偿式大功率交流稳压电源的研究[J]. 微计算机信息， 2006.22 ：234:236

[3] 刘梦成. 交流稳压电源的设计[J]. 天津理工大学学报，2012.28 ： 28:31

[4] 杨光. 三相大功率补偿式交流稳压电源工作原理及使用维护方法（上）[J]. 电工技术，1994.02 ：8:10027