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如何更高效地開發AC-AC自動電壓調節器

suanjunihao ? 來源:suanjunihao ? 作者:suanjunihao ? 2022-09-20 14:47 ? 次閱讀

如何更高效地開發AC-AC自動電壓調節器?

自動電壓調節器(AVR)通常也稱為穩壓器,它通過補償輸入電壓的波動來調節供電電壓電平,在許多工業和住宅應用中都很常見。例如,AVR被用于船舶發電機組、應急電源和石油鉆井平臺,以在電力需求波動期間穩定電壓電平。

對電力公司而言,配電網絡的電壓調節非常關鍵,因為這決定了提供給最終消費者的電力服務質量。為此,公共事業企業須確保進行適當的短期和長期規劃、電力設備維護并在配電線路上部署穩壓器。然而,這項任務頗具挑戰性,尤其是對巴基斯坦、印度和孟加拉國等許多南亞國家。由于竊電和電力不足等原因,這些地區的配電系統非常脆弱,常會導致間歇性斷電和其它類型的斷電。因此,終端用戶可能會面臨電源線電壓波動的問題。為確保空調、冰箱和電視等貴重設備的安全性和正常運行,采用小型便攜式AVR非常普遍。AVR設備易于使用,通常在一個預定的電壓水平范圍內運行(例如150V至240V,或90V至280V)。

從功能上講,AVR通常使用抽頭自耦變壓器將交流輸出保持在一個可接受的范圍內。它利用反饋機制來控制抽頭的位置,切換適當的繼電器來調節輸出電壓。AVR通常由兩個單元組成:傳感單元和調節單元。傳感單元的工作是確定穩壓器的輸入和輸出電壓水平,而調節單元負責將輸出電壓保持在可接受的預定范圍之內。

傳統上,基于繼電器的AVR設計一般采用運算放大器IC與模擬比較器相結合來實現控制功能。而在最新的數字控制商用AVR中,采用8位微控制器MCU)來進行控制的設計顯著增多。本文介紹的方法使用Dialog半導體公司的低成本GreenPAK可編程混合信號ASIC(專用集成電路)來實現類似的功能和特性。它不僅可以降低成本與空間需求,而且無需對MCU進行編程。

本文中,我們將闡述開發人員如何使用GreenPAK SLG46537V IC等可編程ASIC來開發AVR,并且將詳細描述整個系統設計和GreenPAK設計。為了驗證這種AVR的可行性和可操作性,我們也將展示通過原型獲得的實驗結果。

系統設計

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圖1:AVR設計的功能框圖(圖片來源:BarqEE)

該AVR設計的功能框圖如圖1所示。該系統主要基于反饋機制。AVR輸出端的交流電壓經過調節降低到SLG46537V IC的工作DC電壓限制之內。根據感應到的電壓,由IC驅動適當的繼電器選擇自耦變壓器上合適的抽頭繞組。

AVR的規格取決于特定的應用。本文描述的AVR具有以下特性:

● 輸入電壓范圍為125V至240V。

● 輸出電壓在200V至240V之間調節。

● 提供欠壓和過壓保護功能。當AVR輸出電壓低于180V(欠壓)或高于255V(過壓)時,輸出電源斷開。

● 設計中使用了四個機電繼電器。

● 自耦變壓器用于升壓,它具有0V零線連接和四個額外的抽頭(135V、174V、196V和220V)。

● 輸出波形和頻率與輸入相同。

● AVR(控制器)設計成本低廉。

● 提供LED指示燈用于指示正常、過壓或欠壓情況。

請注意,這些參數可任意設置。根據實際應用,可以在GreenPAK IC配置中輕松調整給定的參數。

功能設計

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圖2:AVR設計建議(圖片來源:BarqEE)

圖2顯示了采用SLG46537V IC的AVR功能設計建議。

電源調節

電源調節模塊為GreenPAK IC供電。它以帶電交流電作為輸入并將其降至12V,然后采用合適的穩壓器IC將其進一步轉換為5VDC。 買電子元器件現貨上唯樣商城

交流電壓感應

電壓感應部分使用二極管電阻分壓器網絡對輸出交流電壓(Live_out)進行降壓和整流,以獲得低壓直流電平。然后,采用輸出濾波器電解電容器)來最小化紋波并獲得恒定的平滑直流電壓。再利用旁路電容器來濾除瞬變。最后獲得濾波后的直流電壓(Vsense)。為確保DC電壓電平與該芯片兼容,采用的降壓因子約為0.01(即200VAC ? 2VDC)。

GreenPAK

GreenPAK IC以Vsense為輸入,并基于GreenPAK邏輯(見第2節)驅動所需的繼電器(通過BJT)動作。IC的數字輸出同時還用于切換LED指示燈,以通知用戶AVR的正常和過壓/欠壓狀態。GreenPAK IC原理圖及其IO連接如圖2所示,供參考。

繼電器致動

三個機電繼電器(RL1、RL2和RL3)被用于在自耦變壓器的135V、174V、196V和220V抽頭之間切換輸入交流電壓(Live_in)連接。第四個機電繼電器(RL4)用于在欠壓或過壓情況下斷開AVR輸出,從而防止對AVR輸出端連接的負載造成任何損壞。

GreenPAK邏輯

通過GreenPAK Designer軟件(免費提供)創建的完整設計文件,請復制以下鏈接到瀏覽器中打開下載:

https://www.dialog-semiconductor.com/an-cm-314-gp

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圖3:GreenPAK設計原理圖(圖片來源:BarqEE)

圖3為GreenPAK的設計原理圖。Vsense通過引腳6被饋送到不同的比較器。在AVR的正常工作范圍內,通過模擬比較器ACMP0和ACMP1進行電壓調節,而ACMP2和ACMP3則用于過壓和欠壓檢測。由于比較器的最大內部參考電壓可以設置為不大于1.2V,因此使用0.33的增益來確保輸出電壓可以在不同范圍內進行比較和正確分類。比較器的參考電壓設置滿足第1.2節中提到的規格要求。異步狀態機(ASM)模塊則用于建立有限狀態機以進行電壓調節。

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圖4:有限狀態機(圖片來源:BarqEE)

圖4描述了用到的五種狀態。在每個狀態下,繼電器1、2和3使用ASM分別輸出OUT3、OUT2和OUT1,從而選擇相關自耦變壓器抽頭,以及相應的自耦變壓器匝數比。從狀態0變化到狀態4會導致自耦變壓器匝數比逐步減小。表1顯示了每個狀態與匝數比的對應關系。

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表1:AT匝數比與每個狀態之間的關系(來源:BarqEE)

如果Live_out大于上限(約240VAC,由ACMP1的參考設置)或小于下限(約200VAC,由ACMP0的參考設置),則通過狀態轉換實現電壓調節。如果任意狀態都不能產生所需的穩壓輸出電壓電平(200V

為確保機電繼電器的正常工作,通過ASM模塊反饋中的延遲來控制突發的狀態轉換。為此,ASM模塊的OUT3、OUT4、OUT5、OUT6和OUT7輸出分別饋送到延遲模塊DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。圖5描述了ASM的RAM模塊配置,其中顯示了每個二進制輸出OUT0至OUT7的狀態。

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圖5:RAM模塊(圖片來源:BarqEE)

在延遲中設置的預定義時間段tp(約0.5s)內,狀態會保持。只有當Live_out保持在所需范圍外至少tp時間之后才會發生狀態轉換。延遲的輸出與ACMP0和ACMP1的輸出一起反饋到不同的LUT(和AND模塊),如圖4所示。這確保了狀態轉換僅在tp時間段過去之后且Live_out超出所需范圍時才發生。特定的狀態轉換取決于ACMP0和ACMP1的輸出。例如,如果在tp時間段內狀態1保持,則不可能轉換到狀態0和狀態2。如果已達到所需的電壓電平,則保持狀態1。否則,根據Live_out大于上限還是小于下限,會發生到狀態0和狀態2的轉換。

所建議的GreenPAK設計的另一個重要特性是在過壓和欠壓條件下提供保護。比較器ACMP2和ACMP3分別用于過壓和欠壓情況。ACMP2的輸出和ACMP3的反相輸出傳遞到延遲模塊DLY0和DLY1,以確保不會檢測到任何瞬態的過壓和欠壓情況。隨后,DLY0和DLY1的輸出被饋送到LUT模塊,由該模塊來決定它是正常、過壓還是欠壓情況。在正常情況下,RLY4保持通電,且AVR調節電壓;否則將無法調節電壓且RLY4跳閘。另外,GreenPAK還為用戶提供正常、過壓和欠壓條件的指示。

實驗結果

實驗硬件

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圖6:實驗裝置(圖片來源:BarqEE)

圖6顯示了設計原型的實驗裝置。Variac用于控制提供給AVR的輸入交流電壓。AVR包含一個自耦變壓器和一個包含控制電路PCB

GreenPAK開發板連接到PCB以控制機電繼電器。同時用一個示波器來記錄輸入和輸出電壓。

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圖7:PCB電路(圖片來源:BarqEE)

圖7是安裝了機電繼電器、BJT和其它輔助組件的PCB電路。

AVR性能數據

AVR的性能數據總結如下:

● 負載范圍:450VA-550VA

● 輸入電壓范圍:125V-240V

● 輸出電壓:200V-240V

● 頻率:50Hz-60Hz

● 絕緣電阻:>5MΩ

● 響應時間:10毫秒-15毫秒

● 變壓器溫升:65°C-70°C(1.2倍滿額定負載)

● 系統效率:>95%

● 環境溫度:0℃-40℃

示波器輸出

以下圖片均為實驗中的示波器記錄。黃色和藍色標記分別表示輸入和輸出電壓。

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圖8:量化實驗總結(圖片來源:BarqEE)

圖8描述了AVR正常功能實驗結果的量化總結。在從低到高的電壓范圍內掃描輸入電壓并觀察相應的輸出電壓,可以看到IC成功地驅動繼電器改變了自耦變壓器抽頭,將匝數比從1.63降為1,實現了電壓調節。

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圖9:正常功能(圖片來源:BarqEE)

圖9顯示了AVR的正常功能,它成功確定并選擇了匝數比為1.63的抽頭。

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圖10:趨近過壓(圖片來源:BarqEE)

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圖11:過壓條件(圖片來源:BarqEE)

圖10描繪了趨近過壓條件時的輸入和輸出電壓波形。兩者具有相似的波形,因為抽頭匝數比均為1。

圖11顯示了過壓情況。可以看出輸出電壓已驟降,因為AVR已成功將RL4跳閘以進行保護。

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圖12:趨近欠壓(圖片來源:BarqEE)

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圖13:欠壓條件(圖片來源:BarqEE)

圖12描繪了趨近欠壓條件時的輸入和輸出電壓波形。在這種情況下,AVR選擇了最大匝數比(1.63)抽頭。

圖13顯示了欠壓條件的情況。可以觀察到輸出電壓因RL4跳閘保護而下降。

注意,當AVR調節電壓時,輸入和輸出電壓都沒有頻率變化或相移。

結論

AVR在住宅和工業應用中很受歡迎,本文描述了如何使用可編程ASIC(例如GreenPAK SLG46537V IC)作為AVR的控制器。ASIC可以替代目前在這些應用中使用的分立式元件和MCU。本文描述了SLG46537V在推薦的AVR設計中的作用,并詳細闡明了GreenPAK的設計。另外,還給出了AVR原型的實驗細節,以驗證所推薦的設計。

可以看出,該電路具備足夠的能力作為控制器,尤其是應用在住宅AVR中。因此,利用低成本IC設計AVR的控制單元同時減少PCB占板空間是可行的。而且,利用其它ASIC可為ASM提供更多狀態,我們還可以設計更復雜的控制器。

審核編輯:湯梓紅

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