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PWM斬波器式交流穩壓電源的原理分析

2019-6-30 9:37:22      點擊:

目前使用較多的(de)是三(san)相柱式電力穩壓器,它(ta)雖然有很多優點,但由(you)於使用(yong)了(le)機(ji)械傳動和碳刷進(jin)行調節(jie),因而具有(you)工作壽命短、可(ke)靠(kao)性(xing)差(cha)、動態響(xiang)應(ying)時間長等(deng)缺(que)點,正在(zai)被(bei)無(wu)觸點(dian)補償(chang)式穩壓電(dian)源(yuan)所取(qu)代。“補(bu)償”具(ju)有“補足”和(he)“抵(di)消”兩種(zhong)意思(si)。所謂(wei)補償式(shi)穩壓(ya)電源,就是(shi)用多個(ge)補償變(bian)壓器(一(yi)般(ban)是2~4個),將其(qi)次級(ji)串(chuan)入主(zhu)電路中(zhong),通過(guo)由雙向(xiang)晶(jing)閘管(guan)或固(gu)態繼電器(qi)(由光(guang)耦、觸(chu)發電路和雙向晶閘(zha)管組(zu)成(cheng)的電路模塊)組(zu)成(cheng)的“多全橋”轉(zhuan)換(huan)電路(lu),用切換多個補償變壓器初級頭、尾(wei)的連(lian)接富二代f2app下载安卓,來調節補償電壓的大小或(huo)正負(fu)進行(xing)有級補償。當(dang)市電電壓高於標稱(cheng)電壓時進行負補償;低於(yu)標(biao)稱電壓時進行正補償。由於去(qu)掉了機械(xie)傳(chuan)動(dong)和碳(tan)刷(shua),因(yin)而提(ti)高了壽(shou)命、可靠性和動態響應速度,使穩(wen)壓電源的性能(neng)得到了很大(da)的改(gai)進。但仍然還存(cun)在一些缺點:如隻能有級調(diao)節、調節精度(du)不(bu)高(取決(jue)於補償變壓器的最小(xiao)電壓,調節精度一般為2%~5%),所(suo)用補償變壓器個數(shu)較多,因而補償變壓器的“多全橋”轉換電路用的開關數也(ye)多(duo),電路相對複(fu)雜(za)等。本文(wen)取其優點,避(bi)其缺點,提出了用PWM高頻斬波器進行補償的交(jiao)流(liu)穩壓電源,使交流穩壓器的性能得到了進一步的提高(gao)。

2  用PWM高頻(pin)斬(zhan)波器的補償式交流穩壓電源

    這(zhe)種穩壓電源是采用PWM高頻斬波器產(chan)生的補償電壓uco對市電電壓的波(bo)動(欠(qian)壓或過壓)進行補償,其原(yuan)理電路如圖1所示。圖中S1和S2為采用雙向晶閘管或固態(tai)繼電器的交流開關(guan),用切(qie)換變壓器Tr的兩個初級繞組來(lai)控(kong)製(zhi)補償電壓的方向,它的次級繞組串入主電路中,以(yi)對市電電壓的波動進行補償:當市電電壓高於標稱電壓時S2導(dao)通,Tr按(an)降(jiang)壓自耦(ou)變壓器富二代f2app下载安卓工作(zuo),輸(shu)出(chu)反(fan)向電壓來抵消市電電壓高出的部分;當市電電壓低(di)於標稱電壓時S1導通(tong),Tr按升(sheng)壓自(zi)耦變壓器富二代f2app下载安卓工作,輸出正(zheng)向電壓來補足(zu)市電電壓不足的部(bu)分。S3是PWM高頻斬波器開(kai)關,用來調節補償電壓的大小,以實現(xian)無級精確補償。由於S3工作在高頻開關狀態,因而采用了由兩個IGBT反並聯組成的,而且(qie)帶(dai)有零(ling)電流開通,零電壓關斷(duan)緩(huan)衝電路的交流開關,以減少開關損耗,提高斬波效率(lv)。

    由市電電壓us與(yu)基準電壓ur相減的差值ΔU(直流電壓)控製PWM調製器,在載波三角(jiao)波電壓小於ΔU的部分產生(sheng)S3的正向觸發(fa)脈(mai)衝控製S3斬波。這樣(yang),在補償變壓器Tr的次級就可以產生出補償電壓uco。uco的大小等於us與ur有效值(zhi)之差|Us-Ur|,uco的方(fang)向取決於Us-Ur等於正還(hai)是負來決定:當Us-Ur等於正值時S2導通,uco為(wei)負,當Us-Ur等於負值時S1導通,uco為正,以補償市電電壓達(da)到(dao)標稱值。圖(tu)中LF、CF為交流濾波器,以濾掉(diao)補償電壓uco和市電電壓us中的高次(ci)諧波。


圖1  采用PWM高頻斬波器的補償式交流穩壓源電路原理框(kuang)圖

    斬波器開關S3采用的是等電位直流脈寬(kuan)調製EPWM(Equipotential-PWM),EPWM觸發脈衝(chong)的形成與交流正弦電壓的PWM斬波波形(xing)如(ru)圖2所示(shi)。


圖2   EPWM調製與正弦PWM斬波波形

2.1  正弦斬波電壓的諧波分(fen)析

    正弦(xian)斬波電壓的波形如圖2所示,為了使波形具有半波奇對(dui)稱,和1/4周(zhou)期(qi)偶對稱,以消除其傅裏葉(ye)級數中的餘弦項和正弦項(xiang)中的偶次諧(xie)波,取載波比(bi)N=fc/fs=4k(式中fc為載波三角波頻率,fs為市電工頻頻率),調製比M=Δt/TΔ=ΔU/Uc(式中Δt為觸發脈衝寬度,TΔ=1/fc為載波三角波周期,ΔU為等電位(wei)直流調製電壓,ΔU=|Us-Ur|,Uc為載(zai)波三角波電壓幅值)。

    載波三角波的方程式為:

    i=1,2,3…

    當調製電平為ΔU時,求(qiu)出觸發脈衝起(qi)始點ti和終止點ti+1的方程式為:

    則脈衝寬度為:

                          Δt=ti+1-ti=(TΔ/Uc)ΔU                     (4)

    式中TΔ=2π/N,則(ze)各觸發脈衝的起始(shi)角和終止(zhi)角的數值為:

         α1=TΔ/2-(TΔ/2)(ΔU/Uc)=π/N-M(π/N)

       =π(1-M)/N;

                         α2=π(1+M)/N;

                         α3=π(3-M)/N;

                         α4=π(3+M)/N;

                         ……

    由圖2可以看出:PWM正弦斬波波形是“鏡對稱”和“原點對稱”,因此在它的傅裏(li)葉級數中將(jiang)不包含恒(heng)定分量、餘弦項和正弦項中的偶次諧波,隻包(bao)含(han)正弦項中的奇次諧波,故:

bnsinnωt,n為奇數(5)     

    式中:bn=

    對於基(ji)波,n=1,由於PWM正弦斬波波形是正弦的,即(ji)f(ωt)=Usmsinωt,所以:

    對於諧波

    當n=KN±1,K=1,2,3…時:

    當n≠KN±1時:

    所以,當補償變壓器的變比為ξ時,PWM正弦斬波電壓uch的傅(fu)裏葉級數表(biao)示式為:             

    補償電壓uco的方程式為:

    由式(8)中的諧波幅(fu)值sinKMπ可以算出,當fc=10kHz,N=200,M=0.1~0.9時,基波與各(ge)次諧波的幅值如表1所示。基波和各次諧波與調製比M的關係曲(qu)線如圖3所示。可知(zhi),PWM正弦斬波電壓的諧波頻率與載波比N成正比,N越(yue)大諧波頻率越高,所需的交流濾波器LFCF的參數越小,當N大到一定程(cheng)度時,甚(shen)至隻(zhi)用Tr漏感及一個很小的電容CF就(jiu)可以濾掉所有uco中的高次諧波。

表1   基波和各次諧波與調製比M的關係

諧波分量 M值
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
b1/Usm 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
b199/Usm -0.0984 -0.1871 -0.2575 -0.3027 -0.3183 -0.3027 -0.2575 -0.1871 -0.0984
b201/Usm -0.0984 -0.1871 -0.2575 -0.3027 -0.3183 -0.3027 -0.2575 -0.1871 -0.0984
b399/Usm -0.0935 -0.1514 -0.1514 -0.0935 0 0.0935 0.1514 0.1514 0.0935
b401/Usm -0.0935 -0.1514 -0.1514 -0.0935 0 0.0935 0.1514 0.1514 0.0935
b599/Usm -0.0858 -0.1009 -0.0328 0.0624 0.1061 0.0624 -0.0328 -0.1009 -0.0858
b601/Usm -0.0858 -0.1009 -0.0328 0.0624 0.1061 0.0624 -0.0328 -0.1009 -0.0858
b799/Usm -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757 0 -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757
b801/Usm -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757 0 -0.0757 -0.0468 0.0468 0.0757


2.2  主電路與斬波開關的結(jie)構形式

    主電路與PWM正弦斬波器開關的結構形式如圖4所示,其中圖4(a)是用兩個PWM正弦斬波器開關的主電路,當us>ur時S2導通,Tr按降壓自耦變壓器富二代f2app下载安卓工作,輸出電壓-uco,以抵消市電電壓中的高出部分;當usur時開關S2和S3導通,Tr工作在降壓自耦變壓器狀態,輸出電壓-uco,以抵消市電電壓中的高出部分;當us時開關s1和s4導通,tr工作在升壓自耦變壓器狀(zhuang)態,輸出電壓+uco,以補足市電電壓的不足部分。圖4(c)是圖1使用的主電路。圖4(d)與圖4(b)相同(tong),隻是采用了一個pwm正弦斬波開關和四(si)個雙(shuang)向晶閘管。pwm正弦斬波器開關的結構型式有三種,如圖4(e)所示。圖4所示各種主電路及(ji)其pwm正弦斬波器開關各有特點,設(she)計(ji)者可根(gen)據自身條(tiao)件和需要選(xuan)擇使用。時s1導通,tr按升壓自耦變壓器富二代f2app下载安卓工作,輸出電壓+uco,以補足市電電壓中的不足部分。圖4(b)是用兩個pwm正弦斬波開關和兩(liang)個雙向晶閘管(或固態繼電器)的主電路。這樣,變壓器tr的次級隻用一個繞(rao)組就可以了。當us>


(a)主電路之一(b)主電路之(zhi)二(c)主電路之三

(d)主電路之四(e)斬波開關型式

圖4  主電路與PWM斬波開關型(xing)式

2.3  線路阻抗(kang)的補償

    在圖4所示的主電路中,補償變壓器Tr次級繞組的電阻(zu)和漏感(gan),以及交流濾波電感LF的繞組電阻圖3諧波分量與調製比M的關係(xi)曲線和電感,與市電電源的內阻抗共同組成線路阻抗Z。在有負載時線路阻抗Z產生的電壓降Zis對穩壓精(jing)度是有直接(jie)影響的。為了提高穩壓電源的精度,對Z的影(ying)響應進行補償,其補償電路如圖1中虛(xu)線(xian)電路所示。由於Zis使(shi)輸出電壓uo減(jian)小,減(jian)小的程度與電流is成正比,因而在控製電路中加入(ru)了一個乘(cheng)法(fa)器,將測得(de)的is與Z相乘的Zis信號(hao)串入到us檢測電路中,使(shi)us相應減(jian)小一些即可以補償掉Zis的影響。PWM正弦斬波器開關管的正向壓降、變壓器Tr初(chu)級繞組的電阻和漏感,也可以造成PWM正弦斬波器輸出電壓uco值的減(jian)小,對穩壓精度也有影響,但這個影響較(jiao)固定且數值不大,因此可以通過調高變壓器Tr的變比ξ來補償。

2.4  考(kao)慮(lv)線路阻抗Z的補償分析

    假(jia)定市電電壓us大於或小於基準(zhun)電壓ur,在考慮到線路阻抗Z時穩壓電源輸出電壓uo的方程式為:

    uo=us-Zis±uco    (10)

式中:us=

    補償變壓器Tr的變比ξ=Uc/Usm,Usm=

    將式(9)及us、is的值代入式(10)得:

    用電路中的交流濾(lv)波器LFCF濾掉uco中的高次諧波後(hou)可得:

    當us增高到>ur時,>Usm,由於ΔU=,代入式(11)得:

     當us降至(zhi)us″時,usm″

    圖1所示PWM正弦斬波器式穩壓電源,在工作過程中有以下6種情(qing)況:

    1)us增(zeng)至>ur+Zis時,uco=-Zis-ur,輸出電壓uo=

    2)us降至+Zis,輸出電壓uo=+Zis)-Zis=ur+zis時,uco=ur-

    3)us=ur時,uco=-Zis,輸出電壓uo=us-(-Zis)-Zis=us=ur

    4)空載(is=0)>ur時,uco=-ur,輸出電壓uo=

    5)空(kong)載(is=0)+ur,輸出電壓uo=+ur)=ur時,uco=-

    6)空載(is=0)us=ur時,uco=0,不補償。

    從以上分析可知:當市電電壓波動(欠壓或過壓)或負載變化(hua)時,用以直流表示的us、ur,is的有效值(Us-ZIs-Ur)=ΔU或(Ur-Us+ZIs)=ΔU作調製電壓的EPWM正弦斬波器的輸出電壓uco,完(wan)全可以補償輸出電壓uo的變化,保(bao)持uo=ur不變,達到穩壓目的。

    但由於采用的是直(zhi)流電平(ping)EPWM控製,故不能檢測(ce)出波形畸變,因此(ci)這種穩壓電源不能對市電電壓中的諧波、閃(shan)變和尖(jian)脈衝等進行補償,但(dan)可以依靠交流濾波器濾掉一些(xie)。

    補償變壓器Tr的變比ξ=Uc/Usm的大小取決於市電電壓的最大變化範圍(wei)。市電電壓的最(zui)大變化範圍一般為±10%。但實際上有的地方最大變化範圍可達±20%,所以變比ξ'取1.7/10,ξ″取2.5/10,相對應的補償變壓器容(rong)量(liang)也應取穩壓電源標稱容量的25%。

用EPWM高頻斬波器的原理,同樣可以製成三相補償式交流穩壓電源,隻要用三組如圖1所示的電路即可。這樣的三相(xiang)補償式交流穩壓電源,還可以補償掉三相電壓的不對稱。

3  結語(yu)

    按照(zhao)圖1原理(li)製成的一台單相2.5kVA的穩壓電源,經(jing)實驗(yan)證(zheng)明:當輸入電壓變化範(fan)圍為±15%時,輸出電壓的變化小於±1%;諧波含量小於25%。這種穩壓電源的特(te)點是:補償變壓器工作在變比ξ″=2.5/10,ξ'=1.7/10的自耦變壓器狀態,其伏安定額大,體積(ji)小、重量輕,反應速(su)度快(kuai),可以實現無級補償、補償精度高,電路簡(jian)單。當市電電壓正常或空載時S3不工作(空載時與門關斷,S3不能觸發),補償變壓器不耗(hao)電,電源損(sun)耗小。其缺點是由於Tr工作在自耦變壓器狀態,初、次級之間(jian)有電的連接,故接地(di)不方便(bian)。另(ling)一個缺點是由於采(cai)用了直流有效值控製,故隻能補償市電電壓的大小變化,不能補償市電電壓中的諧波、閃變和尖脈衝,但交流濾波器可以使諧波、閃變和尖脈衝減小。


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