开发AC-AC自动电压调节器的一种更有效的方法

发布时间: 2023-04-20 10:06:15 电子资讯发布人: 久芯网浏览量: 172

AVR的发展已经转向使用8位微控制器构建的数字控制系统，但可编程混合信号ASIC在降低成本和尺寸方面具有优势，这对于在一些地区非常流行的小型便携式AVR来说尤其重要。自动电压调节器（AVR）用于通过补偿输入电压的任何波动来调节所提供的电压...

AVR的发展已经转向使用8位微控制器构建的数字控制系统，但可编程混合信号ASIC在降低成本和尺寸方面具有优势，这对于在一些地区非常流行的小型便携式AVR来说尤其重要。

自动电压调节器（AVR）用于通过补偿输入电压的任何波动来调节所提供的电压电平。AVR也通常被称为电压稳定器，并且在许多工业和住宅应用中具有应用。例如，AVR用于船舶发电机组、应急电源和石油钻机，以在电力需求波动期间稳定电压水平。

对于电力公司来说，配电网中的电压调节是决定输送给最终用户的电能质量的关键责任。为此，公用事业公司必须确保进行适当的短期和长期规划，维护电力设备，并在配电线上部署调节器。然而，这可能是一项具有挑战性的任务，尤其是在世界一些地区。在包括巴基斯坦、印度和孟加拉国在内的许多南亚国家，由于窃电和发电不足的问题，配电系统很脆弱，这可能会导致一段时间的甩负荷和其他中断。因此，最终用户可能面临电力线电压波动的问题。因此，为了确保空调、冰箱和电视等昂贵设备的安全性和适当功能，小型便携式AVR的使用非常流行。AVR是一种易于使用的设备，通常在预定义的电压电平范围内工作（例如150 V–240 V或90 V–280 V）。

从功能上讲，AVR通常使用抽头自耦变压器来将AC输出保持在可接受的范围内。通过切换适当的继电器来调节输出电压，采用反馈机制来控制抽头的位置。这通常由两个单元组成：一个传感单元和一个调节单元。传感单元的工作是确定稳定器的输入和输出电压电平，而调节单元将输出电压保持在可接受的预定限度内。

传统上，运算放大器IC与模拟比较器一起用于基于继电器的AVR设计中的控制。最近，在数字控制的商用AVR中，8位微控制器（MCU）的使用显著增加。然而，使用低成本的GreenPAK也可以实现类似的功能和特性™ Dialog Semiconductor的可编程混合信号ASIC（专用集成电路）。这种替换在降低成本和空间要求方面是有利的，并且不需要对MCU进行明确编程。

在本文中，我们将解释开发人员如何使用可编程ASIC，例如GreenPAK SLG46537V集成电路开发AVR。将对整个系统设计和GreenPAK设计进行全面描述。为了验证该AVR的可行性和可操作性，我们还介绍了从原型中获得的实验结果。

系统设计

图1：方框图。（来源：BarqEE）

拟议AVR设计的功能框图如图1所示。该系统基本上基于反馈机制。对AVR输出端的交流电压进行调节，以将其降低至SLG46537V IC的功能直流极限。根据感测到的电压，IC驱动适当的继电器，以在自耦变压器上选择适当的抽头绕组。

AVR的规格取决于特定的应用。在本文中，我们的AVR具有以下规格：

请注意，这些规范是任意的。给定的规格可以根据实际应用在GreenPAK IC的配置中轻松调整。

功能设计

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图2：建议的AVR设计。（来源：BarqEE）

图2显示了使用SLG46537V IC的AVR的拟议功能设计。

电源调节

电源调节块为GreenPAK IC供电。它将带电的交流电作为输入，并将其降压至12伏，然后使用合适的电压调节器IC将其进一步转换为5伏直流电。

交流电压传感

对于电压感应，输出交流电压(退出活动（_O）)使用二极管和电阻分压器网络降压并整流以获得低电压DC电平。随后，使用输出滤波器（电解电容器）来最小化纹波并获得恒定的平滑直流电压。还采用了旁路电容器来滤除瞬态。因此，滤波后的直流电压(Vsense公司)获得。为了确保直流电压电平与IC兼容，使用了（大约）0.01的降压系数（即200 VACÛ2 VDC）。

绿色PAK

使用Vsense公司并且基于GreenPAK逻辑（第2节），IC驱动所需的继电器（通过BJT）进行致动。IC的数字输出也用于切换LED指示灯，以告知用户AVR的正常和过/欠压情况。已提供显示IO连接的IC示意图以供参考。

启动

三个机电继电器（RL1、RL2和RL3）用于切换输入交流电压(生活（_I）)自耦变压器的135 V、174 V、196 V和220 V抽头之间的连接。第四个机电继电器（RL4）用于在欠压或过电压条件下断开AVR输出，从而防止对AVR输出处的连接负载造成任何损坏。

GreenPAK逻辑

在中创建的完整设计文件GreenPAK Designer软件（免费提供）可以找到在这里.

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图3:GreenPAK设计示意图。（来源：BarqEE）

图3显示了GreenPAK设计的示意图。Vsense公司被馈送到使用引脚6的不同比较器。模拟比较器ACMP0和ACMP1用于AVR正常工作范围内的调节，而ACMP2和ACMP3用于过电压和欠电压检测。由于比较器的最大内部参考可以设置为不大于1.2V，因此使用0.33的增益来确保输出电压可以在不同范围内进行比较和正确分类。比较器的参考值设置为符合第1.2节中概述的规范。采用异步状态机（ASM）块来建立用于电压调节的有限状态机。

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图4：有限状态机。（来源：BarqEE）

图4描述了所使用的五种状态。在每个状态下，继电器1、2和3分别使用ASM输出OUT3、OUT2和OUT1来致动。这使得能够选择相关的自耦变压器抽头，从而选择自耦变压器匝数比。从状态0移动到4导致自耦变压器匝数比逐步降低。表1显示了每个状态与匝数比的对应关系。

表1:AT各状态对应的转弯率（来源：BarqEE）

状态

AT匝数比

220/135 ≈ 1.63

196/135 ≈ 1.45

220/174 ≈ 1.26

196/174 ≈ 1.13

220/220 = 1

如果Live_out大于上限（≈240 VAC，由ACMP1参考设置）或小于下限（≈200 VAC，由APMP0参考设置），则使用状态转换实现电压调节。如果任何状态都不能产生所需的调节输出电压电平（200 V＜Live_out＜240 V），则会发生状态变化（自耦变压器匝数比）。特别地，如果Live_out大于上限，则发生向更高状态的转换。向较高状态的转换（自耦变压器匝数比的降低）持续进行，直到达到所需的电压水平。类似地，对于小于下限的Live_out，会发生到较低状态的转换。

为了确保机电继电器正常工作，通过使用ASM块的反馈中的延迟来控制突然的状态转换。为此，ASM块OUT3、OUT4、OUT5、OUT6和OUT7的输出分别被馈送到延迟块DLY2、DLY3、DLY4、DLY5和DLY6。图5描述了ASM的RAM块的配置，其中显示了每个二进制输出OUT0–OUT7的状态。

图5:RAM块。（来源：BarqEE）

在延迟中设置的预定义时间段tp（≈0.5 s）内保留状态。只有当Live_out保持在所需范围之外至少tp时，才会发生状态转换。延迟的输出与ACMP0和ACMP1的输出一起反馈到不同的LUT（和and块），如图4所示。这确保了状态转换只在tp过去且Live_out超出所需范围时发生。特定的状态转换取决于ACMP0和ACMP1的输出。例如，如果为tp保留状态1，则不可能转换到状态0和状态2。如果已经达到所需的电压电平，则维持状态1。否则，根据Live_out是大于上限还是小于下限，会发生到状态0和状态2的转换。

所提出的GreenPAK设计的另一个重要特征是在过电压和欠电压条件下进行保护。比较器ACMP2和ACMP3分别用于过电压和欠电压条件。ACMP2的输出和ACMP3的反相输出被传递到延迟块DLY0和DLY1，以确保没有针对任何瞬态检测到过电压和欠电压条件。随后，DLY0和DLY1的输出被馈送到LUT块，该LUT块决定是正常、过电压还是欠电压状态。在正常情况下，RLY4保持通电状态，AVR调节电压。否则，无法进行调节，RLY4跳闸。还为用户提供了正常、过压和欠压条件的指示。

实验结果

实验硬件

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图6：实验设置。（来源：BarqEE）

图6显示了原型的实验设置。Variac用于控制提供给AVR的输入交流电压。AVR包含一个自耦变压器和一个包含控制电路的PCB。GreenPAK开发板连接到PCB以控制机电继电器。示波器用于记录输入和输出电压。

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图7:PCB电路。（来源：BarqEE）

图7显示了安装机电继电器、BJT和其他辅助部件的PCB电路。

AVR性能数据

AVR的性能数据总结如下：

示波器结果

下图显示了实验的示波器日志。黄色和蓝色标记分别表示输入电压和输出电压。

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图8：定量实验总结。（来源：BarqEE）

图8描述了AVR正常功能的实验结果的定量总结。输入电压在电压范围（从低到高）内扫描，并观察到相应的输出电压。IC成功地驱动继电器以改变自耦变压器抽头，从而将匝数比从1.63改变为1以进行电压调节。

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图9：正常功能。（来源：BarqEE）

图9显示了AVR的正常功能，其中成功确定并选择了1.63的抽头匝数比。

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图10：接近过电压。（来源：BarqEE）

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图11：过电压条件。（来源：BarqEE）

图10描述了过电压条件接近时的输入和输出电压波形。当抽头匝数比为1时，两者都具有相似的波形。

图11显示了过电压条件下的情况。可以看出，当AVR成功跳闸RL4进行保护时，输出电压已经崩溃。

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图12：接近欠电压。（来源：BarqEE）

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图13：欠电压条件。（来源：BarqEE）

图12描述了当欠压条件接近时的输入和输出电压波形。在这种情况下，AVR选择最大匝数比（1.63）的抽头。

图13显示了欠压条件下的情况。可以观察到，输出电压随着RL4的保护跳闸而下降。

注意，当AVR进行调节时，输入和输出电压没有频率变化或相移。

结论

在本文中，我们描述了可编程ASIC的使用，如GreenPAK SLG46537V IC作为AVR的控制器，这在住宅和工业应用中很流行。ASIC可以取代目前在这些应用中使用的分立组件和MCU。对SLG46537V在拟议AVR中的作用进行了说明，并对GreenPAK的设计进行了全面解释。此外，还介绍了AVR原型的实验细节，以验证所提出的设计。

我们得出的结论是，该电路提供了足够的功能作为控制器，特别是在住宅AVR中。因此，AVR的控制单元可以使用便宜且减少PCB占地面积的IC来设计。可以使用提供更多状态ASM的其他ASIC来设计更复杂的控制器。

阿米尔·侯赛因·楚泰目前是拉合尔LUMS电气工程博士候选人。他的工作领域涉及信号处理、机器学习和物联网。他是拉合尔一家IT初创公司的联合创始人钢筋当量。可以通过联系Aamirchughtaiah@barqee.com.

穆罕默德·萨奇布获得拉合尔NUCES电气工程硕士学位。他的主要工作领域包括电力电子、嵌入式系统和仪器仪表。他是拉合尔一家IT初创公司的联合创始人钢筋当量M.Saqib可以通过saqib.awan@barqee.com.

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