1000va家用交流稳压器设计.docx
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1000va家用交流稳压器设计
1000VA家用全自动交流稳压器设计
摘要：
二次电源作为负载的能量供应装置，在电路系统中起着非常重要的作用。
尤其在我国，交流电网的电压波动较大、干扰较多，二次电源已成为许多电子设备不可缺少的供电装置。
安全可靠、技术性能符合负载要求的电源，可使负载的功能得以充分发挥，否则，可能使负载的技术指标降低，甚至会损坏负载。
为了延长用电设备的使用寿命，降低工厂的经济损失，应保证其供电电压的稳定。
本课题通过研究自耦变压器的原理利用继电器的延时功能将输入电压为160~270V，变成输出电压220V±10%，实现家用电器的正常工作。
针对用电设备对交流稳压电源的要求，提出了一种实用型的家用交流稳压电源稳压控制电路的设计方法及相关原理，稳压电源的主回路部分采用继电器分档来控制输入电压，使输出电压在AC220V左右，控制部分是采用集成运放LM324相关电路对不同取样电压采取不同处理方式来达到稳压控制效果，并增加了欠压、过压保护的自动切断功能。
关键词：
继电器、交流稳压器、自耦变压器、延时功能
1000VAhouseholdfullautomaticACvoltage
stabilizerdesign
Abstract:
secondarypowersourcestooktheenergysupplydeviceoftheload,isplayingaveryimportantroleinthecircuitry.Especiallyinourcountry,inalternatecurrentnetworkthevoltageismorefluctuations,andmoreinterference,secondarypowersourceshavebecomeindispensablepowersupplydeviceinmanyelectronicdevices.Safeandreliable,withtechnicalperformancerequirementsofthepowerload,theloadcanbefullyfunctionalplay,orelsepossiblycausestheloadthetechnicalspecificationtoreduce,evencandamagetheload.inordertolengthentheservicelifeofcurrentcollector,reducestheeconomiclossoffactory.shouldguaranteeitspowerlinevoltagethestability.Especiallyintheindustrialfieldenvironment,theelectricalnetworkqualityisespeciallybad,theelectricalnetworkwaveformdistortionisserious.Therefore,itisverynecessarytodevelopahighlyefficientandreliableacvoltage-stabilizedsourceasthesecondpowersupplyofload.Thispaperthroughtheresearchoftheautotransformerprincipleusingtherelayfunctioninputvoltageof160-270V,intotheoutputvoltage220V±10%,realizethenormalworkofhouseholdappliances.Bytheconsumerrequirementonalternatingvoltagestabilizingpowersupply,weputforwardakindofdesignprocedureandrelevantprinciplesofapracticalvoltagestabilizingcontrolledcircuitofhouseholdalternatingconstantvoltagepowersupply.Themainloopofconstantvoltagepowersupplyisadoptedrelaystocontrolinputvoltage,andgetanoutputvoltageinaboutAC220V.Thecontrollingpartisusedbyintegratedoperationalamplifierstakingdifferentprocesstodifferentsamplevoltage,whichresultsinvoltagestabilizingcontrolling.Also,itcanbringaboutthefunctionofcuttingoffcircuitautomaticallywhenitisover-voltageorback-voltage.
Keywords:
relay,ACvoltageregulator,anautotransformer,adelayfunction
1000VA家用全自动交流稳压器设计
1绪论
1.1课题背景
随着电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，而交流稳压电源的出现解决了这一问题。
目前我国有些地方由于电力供应紧张，或电力设备严重老化，在用电高峰期，电网超负荷运行，电网电压太低；而在用电低谷期，电网电压太高，这种电压大幅度波动的现象，很容易给一些用电设备带来损害。
特别是不断出现的各种智能化仪器仪表、个人电脑等家用电器，对电源质量的要求越来越高，而电源是各种电子设备的核心，在实际应用中，电子设备的故障大部分来自电源系统，电源系统出故障就会使整个电子社不能工作。
因此，电源系统质量的优劣和可靠性直接决定了整个电子设备的质量，这就需要研制一种高性能的交流稳压电源。
交流稳压电源的类型较多，大致可分为以下四种。
铁磁谐振式交流稳压器：
利用饱和扼流圈与相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。
磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。
它结构简单,制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠,过载能力较强。
但波形失真较大，稳定度不高。
近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压功能的电源装置。
它与磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同，而基本工作原理则相同。
它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重功能，所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。
磁放大器式交流稳压器：
将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。
其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。
这类稳压器带有反馈控制的闭环系统，所以稳定度高，输出波形好。
但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。
又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。
感应式交流稳压器：
靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交流电压获得稳定的装置。
它在结构上类似线绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。
它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。
但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。
另因铜、铁用料多，故较少生产。
滑动式交流稳压器：
用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。
这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。
但稳定度较低，恢复时间较长。
1.2交流稳压电源的发展现状
我国20世纪50年代流行的是磁放大器调整型电子交流稳压器，随着技术水平和用电设备对稳压电源性能指标要求的提高，在此基础上出现了净化型稳压电源；净化型交流稳压器抗干扰性能好、稳压精度较高、响应时间短、电路简单、工作可靠；但其带非线性负载时，有时有低频振荡现象、输入电压调节、范围较窄、而且源电流的谐波分量较多。
到了70年代，主要存在的是用继电器触点改变变压器抽头和以炭刷移动接触点为主要控制方式的机械调整型交流稳压电源；调压型交流稳压器制作简单、工作可靠、功率较大、负载适应性好等优点；但这种类型的交流稳压器存在机械磨损、响应时间长、工作寿命短、抗干扰能力差等缺点。
到了90年代，随着电力电子技术的发展，又出现了功率补偿式稳压电源和开关型交流稳压器。
功率补偿型三相电力稳压器电压调节范围宽、效率高、波形失真小；但其采用电动机调节炭刷触头方式，调节速度慢，并且存在机械磨损，使用寿命短。
而开关型交流稳压器响应速度快、体积小、重量轻、波形失真小、效率较高；但其电路复杂。
滑动式交流稳压器：
用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。
这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求,稳定度较低，恢复时间较长。
2方案论证
本课题的任务是设计一台输出电压稳定在220V±10%左右的家用交流稳压器，参数要求如下。
a）额定功率容量：
1000VA；
b）输入电压：
160–270V；
c）输出电压：
220V±10%；；
d）有来电延时启动保护；
e）有手动启动功能；
f）有输入输出电压指示；
因此设计以下三种方案作为参考。
2.1方案一
调整参数（谐振）实现稳压，稳压的基本原理是LC串联谐振，早期出现的含有磁饱和型稳压器的稳压电源就属于这一类。
它的优点是结构简单，所需元器件较少，稳压范围相当宽，可靠性高，抗干扰和抗过载能力强。
缺点是能耗大、噪声大、笨重且造价高。
2.2方案二
以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的的绕组滑动面上移动，改变输出电压（Uo）对输入电压（Ui）的比值，以实现稳压电源输出电压的调整和稳定。
它的特点是结构简单，造价低，输出波形失真小。
但由于炭刷滑动，接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁而失效，且电压调整速度慢。
2.3方案三
将自耦变压器做成多个固定抽头，通过继电器或可控硅（固态继电器）作为开关器控件，自动改变抽头位置，从而实现输出电压的稳定。
这种类型的稳压电源，优点是电路简单，稳压范围宽（130V-280V），效率高（≥95%），价格低。
缺点是稳压精度低（±8～10%）工作寿命短。
通过对以上几种方案的比较，我们选择方案三，即自耦变压型交流稳压电源。
3控制系统硬件的设计
3.1稳压器的总体设计
3.1.1整个电路的结构
该家用交流稳压电源稳压控制电路主要由电网电压输入、电压取样、稳压控制、过压、欠压保护低那路组成。
电网电压输入电路是把不同的输入电压接入不同的自耦变压器的抽头，进行分档控制，从而减小误差。
电压取样电路是把输入电压经过降压、整流、滤波后，得到一个直流电压，这个直流电压与输入的电网电压成比例关系，此直流电压就是我们后面讲的取样信号。
稳压控制电路是把取样信号通过集成运放控制继电器工作，通过继电器的吸合、断开来选择自耦变压器的不同抽头，从而达到稳压效果。
过压、欠压保护电路是当输入电压超过一定的范围时，能自动切断电源，起到保护作用。
图3-1稳压电路的总框图
3.1.2交流稳压电路实现的功能
a）稳压控制功能
当不同的电网电压输入时，变压器的输出电压与输入电压的比值为一常数，只要检测输入电压并控制在不同的档位，就能达到稳压的目的。
b）电压检测功能
经取样电压与设定电压相比，给出电压过高、过低或在正常范围内的信号，若输出电压在正常范围内时，集成运放的输出电平按输入电压的不同输出高、低电平，来控制各继电器协调工作。
若输出电压超出正常范围时，控制过电压、欠电压保护电路的集成运放输出为高电平，从而使控制过压、欠压的继电器工作，一方面提出警示，另一方面起到自动切断电源的保护功能。
c）保护各继电器协调工作的功能
由于实际电网电压经常波动，一旦电网电压处于临界点时，该临界点上下两档继电器出现频繁跳动。
在继电器跳动点附近，电网电压小幅度变化时，继电器不断接通、断开引起继电器使用寿命下降，输出电压不稳定，为了克服这种现象，电路中引入了回差电压，使电网电压小幅度变化时，继电器停留在原来工作状态不变。
3.2课题设计的问题
研究自耦交流稳压器主要涉及解决三个方面的问题。
3.2.1避免继电器在电网电压的临界点附近时出现频繁跳动
由于实际电网电压经常波动，一旦电网电压处于临界点时，该临界点上下两档继电器出现频繁跳动。
在继电器跳动点附近，电网电压小幅度变化时，继电器不断接通、断开引起继电器使用寿命下降，输出电压不稳定，为了克服这种现象，必须引入了回差电压，使电网电压小幅度变化时，继电器停留在原来工作状态不变。
这是本课题需要解决的关键问题。
3.2.2内设置过压、欠压保护
当输入电网电压过高或过低时，很容易使一些用电设备无法正常工作，甚至可能因电流过大而损坏负载，所以有必要在电路中设置过电压、欠电压保护，当电压过大或过低时，能起到自动切断电源的功能。
这也是本课题的关键问题。
3.2.3取样信号的处理
本设计中的稳压电源控制回路中，需要把经过整流滤波后的直流电压与基准电压同时输入到集成运放LM324进行电压比较，从而输出高、低电平来控制各继电器的协调工作。
这里每个集成运放的输入电压与输入电网电压是成比例的，所以，要正确控制各继电器的协调工作，首先需要处理电路中的取样信号，当输入电网电压不同，各集成运放的反相输入端的取样电压也不同，从而才能正确控制各继电器的协调工作。
这是本课题的难点。
3.3稳压电源主电路
3.3.1自耦变压器
一般变压器的能量传递都是通过电磁感应实现的，而自耦变压器的能量传递除此之外还有一部分是通过绕组直接传递。
因此，同样容量的变压器，采用自耦变压器可大大减小其体积。
自耦变压器的原理如图3-2、3-3：
图3-2降压自耦变压器
图3-3升压自耦变压器
自耦变压器是只有一个线圈的变压器，也叫单线圈变压器。
自耦变压器可以分为升压变压器和降压变压器，电原理图如上所示；图中，c到b间是输入和输出共用的绕组，称作公共绕组。
在降压变压器中，电源输入电流I1流经a-c-b，而输出电流I2则流经b-c，输入电流I1和输出电流I2方向相反，同时流过公共绕组。
假设公共绕组的电流为Ix，则有：
Ix=I2-I1或I2=Ix+I1。
自耦变压器的功率即是变压器输出的功率：
Pz=U2*I2=U2*（Ix+I1）=U2*Ix+U2*I1
其中,Px=U2*Ix是电源通过公共绕组耦合到输出的电磁功率，而Po=U2*I1是电源通过非公共绕组传输给输出的功率。
一般情况下，Pz称作自耦变压器的标称功率,Px称作自耦变压器的电磁功率,Po称作自耦变压器的传输功率。
设变压器的变压比n=U2/U1；则有Px=Pz*（1-U2/U1）=Pz*（1-n）[对于升压变压器，则有Px=Pz*（1-U2/U1）=Pz*（1-1/n）]。
变压器的铁心截面面积根据电磁功率Px来确定，即：
Se:
cm2铁心截面面积
k:
系数（根据功率的大小，由1.2到1.0或1.0以下） Px:
VA自耦变压器的电磁功率
在实际设计时，应考虑到变压器的效率，即：
η：
%变压器效率
变压器绕组匝数和线径的计算和一般变压器相同。
升压变压器和降压变压器的分析相同。
所以，本设计中采用的是自耦变压器，如3-4图所示：
图3-4自耦变压器
3.3.21000VA自耦变压器的参数计算
a）计算铁心截面积A
为了减小铁损耗，变压器的铁心是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。
其中套有绕组的部分称为铁心柱，连接铁心柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁心在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。
小容量变压器铁心形式多采用壳式，中间心柱上套放绕组，铁心的几何尺寸如图3-5所示。
图3-5铁心的几何尺寸
容量心柱截面积A大小与其视在功率有关，一般用下列经验公式计算（单位为㎝
）。
A——铁心柱的净面积，单位为cm2
K0——截面计算系数，与变压器额定容量SN有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧硅钢片时K0,可取小些截面积计算系数K0
表3-2截面积计算系数K0的估算值
SN/VA
＜10
10～50
50～100
100～500
＞500
K0
2～1.75
1.75～1.5
1.5～1.35
1.35～1.25
1.25～1.0
计算心柱截面积A后，就可确定心柱的宽度和厚度，根据图公式可知
Kc
a——心柱的宽度（mm）；
b——心柱的净叠厚（mm）；
——心柱的实际厚度（mm）；
Kc——叠片系数，是考虑到铁心叠片间的绝缘所占空间引起铁心面积的减小所引入的。
对于0.5mm厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.93；对于0.35mm厚两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，Kc=0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，Kc=0.95。
按A的值，确定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=（1.2——2.0）a，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。
表3-2列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。
表3-2小型变压器通用的硅钢片尺寸
a
c
h
H
13
16
19
22
25
28
32
38
44
50
58
64
7.5
9
10.5
11
12.5
14
16
19
22
25
28
32
22
24
30
33
37.5
42
48
57
66
75
84
96
40
50
60
66
75
84
96
114
132
150
168
192
34
40
50
55
62.5
70
80
95
110
125
140
160
b）绕组的匝数N
从变压器的电势公式E=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数
式中
——对应于每伏电压的匝数，单位：
匝/V
Bm——铁心柱内工作磁密最大值，单位：
T
A——铁心柱截面积，单位：
cm2
当铁心材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.0——1.2T；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.2——1.5T
然后根据N和各线圈额定电压求出各线圈的匝数
式中N1、N2……Nn——各线圈的匝数。
为补偿负载时漏阻抗压降，副边各线圈的匝数均增加了5%--10%。
c）导线直径d
小型变压器的线圈多采用漆包圆铜线（QZ型或QQ型）绕制。
为限制铜损耗及发热，按各个绕组的负载电流，选择导线截面，如选的小，则电流密度大，可节省材料，但铜耗增加，温升增高。
小容量变压器是自然冷却的干式变压器，容许电流密度较低，根据实践经验，通过导线的电流密度J不能过大，对于一般的空气自然冷却工作条件，J=2—3A/mm2。
对于连续工作时可取，J=2.5A/mm2。
导线的截面积：
Ac=I/j。
导线的直径：
导线直径可根据工作电流计算，式中：
d—原、副边各线圈导线直径，单位：
mm；
I—原、副边各线圈中的工作电流，单位：
A；
根据算出的直径查电工手册或表3-4选取相近的标准线径。
当线圈电流大于10A时，可采用多根导线并联或选用扁铜线。
表3-4导线材料的选取
0.06
~
0.14
0.15
~
0.21
0.23
~
0.33
0.35
~
0.49
0.51
~
0.62
0.64
~
0.72
0.74
~
0.96
1.0
~
1.74
1.81
~
2.02
2.1
~
2.44
高强度聚酯漆包线
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.11
0.12
0.13
硅有机单玻璃丝包线
—
—
—
—
—
0.20
0.22
0.22
0.24
—
硅有机双玻璃丝包线
—
—
—
—
—
0.25
0.27
0.27
0.28
—
d）绕组（线圈）排列
绕组的匝数和导线的直径确定后，可作绕组排列。
绕组每层匝数为：
式中
—绝缘导线外径（mm）；
h——铁心窗高（mm）；
0.9——考虑绕组框架两端厚度的系数；
（2～4）——考虑裕度系数。
各绕组所需层数为：
各绕组厚度为：
i=1,2,…,n
式中
——层间绝缘厚度（mm），导线较细（0.2mm以下），用一层厚度为0.02～0.04mm白玻璃纸，导线较粗（0.2mm以上），用一层厚度为0.05～0.07mm的电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线，可用厚度为0.12mm的青壳纸；
——绕组间的绝缘厚度（mm），当电压不超过500V时，可用2～3层电缆纸夹1～2层黄蜡布等。
绕组总厚度为：
式中t0——绕组框架的厚度（mm）；
1.1～1.2——考虑裕度的系数。
计算所得的绕组总厚度t必须略小于铁心窗口宽度c，若t>c,可加大铁心叠装厚度，减小绕组匝数或重选硅钢片的尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。
e）1000VA变压器的设计结果
1）变压器的额定容量
二次侧容量为
。
取效率
=0.91，可得二次侧容量为
，则变压器额定容量为
2）一次侧和二次侧电流的确定
一次侧电流
二次侧电流
3）铁心尺寸
设
=1.0，则铁芯截面积
b=1.673a时，a=44，其余值可参见表3-2
4）线圈匝数
取
=1.5T，可得每伏匝数
一次侧线圈匝数
二次侧线圈匝数
5）求导线线径
一次侧导线直径
二次侧导线直径
本课题根据上述的参数要求选择适合的变压器。
3.3.3主回路的组成
如图3.4所示，J1、J2、J3、J4、J5为继电器触点，输入为电网电压，输出为稳定的220V交流电压，其中，J5是过压、欠压保护继电器。
自耦调压器分5档不同的电压值：
266V、220V、191V、171V、152V。
3.3.4主电路的工作原理
电网电压输入主电路时，根据电压大小，通过控制电路分别对继电器产生作用，这样控制某个继电器是否工作，从而判断变压器初级接入哪一档。
下面是四个继电器工作状态真值表。
表3-5继电器状态真值表
152V
171V
191V
220V
260V
J1
合
合
合
合
开
J2
合
合
合
开
开
J3
合
合
开
开
开
J4
合
开
开
开
开
3.3.5电网电压下降的过程
当输入交流电压为260V，电网电压接入260V档，此时变压器要对输入电压进行降压，根据变压器的工作原理：
260/U=266/220，U=215V，则输出电压为215V，满足输
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