中心議題：

• 開關互補式交流穩壓器的原理分析

解決方案：

• 開關互補電路的設計
• 利用微處理器進行智能控製和監控管理

1 引言

近(jin)年(nian)來(lai)
，在(zai)國(guo)內(nei)電(dian)源(yuan)學(xue)術(shu)界(jie)，交(jiao)流(liu)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)研(yan)究(jiu)內(nei)容(rong)主(zhu)要(yao)分(fen)為(wei)兩(liang)類(lei)，一(yi)類(lei)是(shi)開(kai)關(guan)互(hu)補(bu)式(shi)，另(ling)一(yi)類(lei)就(jiu)是(shi)逆(ni)變(bian)補(bu)償(chang)式(shi)。開(kai)關(guan)互(hu)補(bu)式(shi)交(jiao)流(liu)穩(wen)壓(ya)器(qi)就(jiu)是(shi)以(yi)自(zi)耦(ou)變(bian)壓(ya)器(qi)----繼(ji)電(dian)器(qi)抽(chou)頭(tou)式(shi)穩(wen)壓(ya)器(qi)為(wei)基(ji)礎(chu)
，將(jiang)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)繼(ji)電(dian)器(qi)觸(chu)點(dian)相(xiang)結(jie)合(he)，為(wei)電(dian)能(neng)的(de)傳(chuan)遞(di)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)預(yu)設(she)的(de)電(dian)子(zi)通(tong)路(lu)，以(yi)便(bian)減(jian)少(shao)電(dian)流(liu)切(qie)換(huan)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)衝(chong)擊(ji)和(he)幹(gan)擾(rao)，因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)衝(chong)擊(ji)往(wang)往(wang)會(hui)損(sun)壞(huai)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)、電子器件
，甚至用電設備；逆變補償式交流穩壓器
，是以補償型交流穩壓器為基礎，從輸入側取得交流電壓，經過整流、高頻SPWM逆變、相位跟蹤和轉換產生幅值

、相位、頻率均可變的交流補償電壓進行穩壓
，補償是無極的，補償精度高，響應速度快。

目前，這兩類穩壓器的技術都不是很成熟，還沒有人對此進行係統的闡述、分析和具體的設計。本文針對開關互補式交流穩壓器,提出它的原理和設計方法，並按此方法研製出一台10KVA的開關互補式交流穩壓器，以期達到跟蹤前沿技術，為進一步開發係列開關互補式交流穩壓器做好準備。

2 開關互補式交流穩壓電源工作原理

2.1 整機組成

本穩壓器由補償變壓器組合單元、繼電器單元
、開關互補電路、控製電路
、過欠壓以及過流保護及故障告警電路
、輔助電源等部分組成
，整機框圖如下：
2.1.1 穩壓部分的設計

穩壓部分可采用的形式有參數調整（諧振）型、自耦（變比）調整型、大功率補償型、kaiguanxing。zaizheli
，womencaiyongdeshidagonglvbuchangxingzuoweiwenyabufendezhudianlu，liyongjidianqigaibianzioubianyaqichoutoudefangfa，laigeibuchangbianyaqitigongchujidianya。qizhong，hubukaiguanzuhezhenliecaiyongdeshijidianqibinglianshijiefa。
2.1.2 開關互補電路的設計

關互補電路實際上是繼電器的一個旁通電子開關，采用兩隻IGBT

、兩隻二極管構成的交流通路，是互補式交流穩壓器的主要技術點,電路如圖3: 互補電路中IGBT承受的電壓
、電流應力都較大，對IGBT的安全構成極大的影響。而互補電路工作成敗之關鍵，主要取決於IGBT能否安全工作
，為了改善IGBT的開關狀況和安全工作區域
，適應互補式交流穩壓器所要求的負載特性
，在設計時應注意以下幾個問題：
1、通過合理的布線，盡量減小引線電感，以減小IGBT的關斷振蕩和損耗；
2、每一組互補電路要用專用的輔助電源驅動（典型值是+15V，-5V），既防止因共地而引起的幹擾，最主要的是防止了因PN結導通而引起的短路

；
3、IGBT的柵極驅動采用電壓跟隨器的設計方式，同時增加RCD吸收電路，精選其電容
、電阻參量，從而有效抑製了脈衝結束時IGBT的反向電壓；
4、對IGBT的額定電壓
、電流參數，選取時除按理論計算外，還要考慮適當的經驗係數
，使IGBT具有更大的安全工作區域；
5、雖然IGBT的導通時間極短
，在正常工作時，熱量在還沒有傳出殼外時，IGBT就已關斷

，但仍須加一定功率的散熱器，目的是使IGBT工作時，其管芯溫度在允許結溫以下，從而確保IGBT不會因控製電路設計不當造成的損壞。
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2.1.3 功率補償單元

該補償單元由繼電器及其相應的開關互補電路組成
，采用並聯的方式連接而成。具體電路如圖4-1：
圖4-2weigonglvbuchangdanyuanzhongdejidianqiyuqiduiyingdekaiguanhubudianludegongzuoboxinghegongzuoshixuguanxi，congzhongwomenkeyizhidao
，kaiguanhubudianlushizaijidianqidongzuozhiqianxiandaotong，zaijidianqiwanchengdongzuohouzaiguanduan

，zheshikaiguanhubushijiaoliuwenyadianyuanchenggongdeguanjiansuozai。

2.2 功率補償單元的工作原理

為方便闡述，我們把功率補償單元拆分為繼電器J0、J1、J2、J3、J4
、J5及其對應的開關互補電路S0
、S1、S2、S3、S4、S5。考慮到電網變化的隨機和無序性，設計時采用頂層設計、整體考慮的方法，來確定功率補償單元的工作時序。值得特別強調的是，開關互補電路須采取先開後關的方式工作
，即在繼電器動作（包括吸合和斷開）zhiqian，xianrangkaiguanhubudianlugongzuo
，daijidianqigongzuowendinghou，zaiduankaiguanhubudianlu，zheshikongzhideguanjiansuozai，fouzekaiguanbushijiaoliuwenyaqijiangshiquyiyi。weijishipanduanjidianqideqiehuanzhuangtai，teshejileshuangguangoubuchangxingdianlu
，shixianxinhaodesuoding
，yibianyudanpianjidezhengquepanding。biao1給出了功率補償單元在不同輸入電壓值時的工作時序。 2.3 軟件的設計

在係統中，單片機擔負著對輸入電壓的實時檢測和處理，控製功率補償單元的工作，對整機提供各種保護
、告警和狀態指示。

係統接通市電，合上電源開關後，單片機進行初始化，延時2秒(miao)後(hou)，進(jin)行(xing)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)，若(ruo)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)內(nei)，則(ze)根(gen)據(ju)電(dian)壓(ya)值(zhi)進(jin)行(xing)相(xiang)應(ying)的(de)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)，否(fou)則(ze)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)不(bu)進(jin)行(xing)任(ren)何(he)動(dong)作(zuo)，但(dan)要(yao)相(xiang)應(ying)的(de)聲(sheng)光(guang)告(gao)警(jing)；電(dian)壓(ya)調(tiao)整(zheng)完(wan)畢(bi)達(da)到(dao)輸(shu)出(chu)標(biao)準(zhun)後(hou)
，自(zi)動(dong)合(he)上(shang)輸(shu)出(chu)交(jiao)流(liu)接(jie)觸(chu)器(qi)，係(xi)統(tong)正(zheng)常(chang)輸(shu)出(chu)。此(ci)時(shi)，單(dan)片(pian)機(ji)對(dui)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)過(guo)壓(ya)檢(jian)測(ce)，一(yi)旦(dan)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)高(gao)，則(ze)切(qie)斷(duan)輸(shu)出(chu)，以(yi)防(fang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)過(guo)高(gao)而(er)影(ying)響(xiang)負(fu)載(zai)工(gong)作(zuo)，在(zai)電(dian)壓(ya)恢(hui)複(fu)正(zheng)常(chang)後(hou)，自(zi)動(dong)合(he)閘(zha)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。單(dan)片(pian)機(ji)還(hai)對(dui)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)檢(jian)測(ce)，隻(zhi)要(yao)市(shi)電(dian)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)
，就(jiu)進(jin)入(ru)相(xiang)應(ying)的(de)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)子(zi)程(cheng)序(xu)
，對(dui)補(bu)償(chang)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)。其(qi)流(liu)程(cheng)圖(tu)見(jian)圖(tu)5。 [page]
3 實作結果

當輸入交流電壓幅值發生相同的變化時，比較圖6所示的兩種穩壓器輸出電壓波形可發現，有互補電路與沒加互補電路的電源輸出電壓波形，存在很大的差異：在A圖中，沒有互補電路的電源輸出電壓波形，有一明顯缺口，這是輸出電壓波形失真度大、整機電磁幹擾強
、不能提高功率因數的根本原因所在

；而在B圖中，這一缺點得到明顯的改善，輸出電壓波形變得平滑，體現出了互補式交流穩壓電源的優點。
其達到的主要技術指標如下：
1）、交流輸入電壓
220V-30%~220V+20%、50Hz（單相）
2）、額定輸入電流45A
3）、額定輸出功率10KVA
4）
、額定輸出電壓220V±5%
、50Hz
5）

、響應時間≤50ms
6）

、正弦波失真度≤1.0%
7）
、整機效率≥98%
8）、功率因數>0.95

4 結束語

bendianyuandeyanzhichenggong
，shizaixiandaidianlidianzijishuyudianlichuandongjishuxiangjiehedejichushang，liyongweichuliqijinxingzhinengkongzhihejiankongguanli
，yanzhikaifadeyizhongxinxinggaoxingnengjiagebidejiaoliuwenyaqi，juyouzhinenghua、輕量化、高可靠性的特點。實踐證明，開關互補式交流穩壓器的以上優點以及它的低成本

、高質量的供電效果，必將使該種穩壓器具有廣闊的應用前景。