"

IM体育_手机版官网拥有全球最顶尖的原生APP,每天为您提供千场精彩体育赛事,IM体育_手机版官网更有真人、彩票、电子老虎机、真人电子竞技游戏等多种娱乐方式选择,IM体育_手机版官网让您尽享娱乐、赛事投注等,且无后顾之忧!

    
    

    
    

          "
          新闻动态???News
          联系我们???Contact
          搜索???Search
          你的位置:首页 > 新闻动态 > 专题报道

          PWM斩波器式交流稳压电源的原理分析

          2019-6-30 9:37:22??????点击:

          目前使用较多的是三相柱式电力稳压器,它虽然有很多优点,但由于使用了机械传动和碳刷进行调节,因而具有工作寿命短、可靠性差、动态响应时间长等缺点,正在被无触点补偿式稳压电源所取代IM体育_手机版官网?!安钩ァ本哂小安棺恪焙汀暗窒绷街忠馑?。所谓补偿式稳压电源IM体育_手机版官网,就是用多个补偿变压器(一般是2~4个),将其次级串入主电路中,通过由双向晶闸管或固态继电器(由光耦IM体育_手机版官网、触发电路和双向晶闸管组成的电路??椋┳槌傻摹岸嗳拧弊坏缏?IM体育_手机版官网,用切换多个补偿变压器初级头、尾的连接方式IM体育_手机版官网,来调节补偿电压的大小或正负进行有级补偿。当市电电压高于标称电压时进行负补偿IM体育_手机版官网;低于标称电压时进行正补偿IM体育_手机版官网。由于去掉了机械传动和碳刷,因而提高了寿命、可靠性和动态响应速度IM体育_手机版官网,使稳压电源的性能得到了很大的改进。但仍然还存在一些缺点:如只能有级调节、调节精度不高(取决于补偿变压器的最小电压IM体育_手机版官网,调节精度一般为2%~5%),所用补偿变压器个数较多,因而补偿变压器的“多全桥”转换电路用的开关数也多,电路相对复杂等。本文取其优点,避其缺点,提出了用PWM高频斩波器进行补偿的交流稳压电源,使交流稳压器的性能得到了进一步的提高。

          2  用PWM高频斩波器的补偿式交流稳压电源

              这种稳压电源是采用PWM高频斩波器产生的补偿电压uco对市电电压的波动(欠压或过压)进行补偿,其原理电路如图1所示IM体育_手机版官网。图中S1和S2为采用双向晶闸管或固态继电器的交流开关IM体育_手机版官网,用切换变压器Tr的两个初级绕组来控制补偿电压的方向,它的次级绕组串入主电路中IM体育_手机版官网,以对市电电压的波动进行补偿:当市电电压高于标称电压时S2导通,Tr按降压自耦变压器方式工作,输出反向电压来抵消市电电压高出的部分IM体育_手机版官网;当市电电压低于标称电压时S1导通,Tr按升压自耦变压器方式工作IM体育_手机版官网,输出正向电压来补足市电电压不足的部分IM体育_手机版官网。S3是PWM高频斩波器开关IM体育_手机版官网,用来调节补偿电压的大小,以实现无级精确补偿。由于S3工作在高频开关状态,因而采用了由两个IGBT反并联组成的,而且带有零电流开通,零电压关断缓冲电路的交流开关,以减少开关损耗,提高斩波效率。

              由市电电压us与基准电压ur相减的差值ΔU(直流电压)控制PWM调制器,在载波三角波电压小于ΔU的部分产生S3的正向触发脉冲控制S3斩波。这样,在补偿变压器Tr的次级就可以产生出补偿电压uco。uco的大小等于us与ur有效值之差|Us-Ur|,uco的方向取决于Us-Ur等于正还是负来决定:当Us-Ur等于正值时S2导通,uco为负,当Us-Ur等于负值时S1导通IM体育_手机版官网,uco为正,以补偿市电电压达到标称值。图中LF、CF为交流滤波器,以滤掉补偿电压uco和市电电压us中的高次谐波。


          图1  采用PWM高频斩波器的补偿式交流稳压源电路原理框图

              斩波器开关S3采用的是等电位直流脉宽调制EPWM(Equipotential-PWM),EPWM触发脉冲的形成与交流正弦电压的PWM斩波波形如图2所示。


          图2   EPWM调制与正弦PWM斩波波形

          2.1  正弦斩波电压的谐波分析

              正弦斩波电压的波形如图2所示IM体育_手机版官网,为了使波形具有半波奇对称,和1/4周期偶对称IM体育_手机版官网,以消除其傅里叶级数中的余弦项和正弦项中的偶次谐波,取载波比N=fc/fs=4k(式中fc为载波三角波频率,fs为市电工频频率),调制比M=Δt/TΔ=ΔU/Uc(式中Δt为触发脉冲宽度IM体育_手机版官网,TΔ=1/fc为载波三角波周期,ΔU为等电位直流调制电压IM体育_手机版官网,ΔU=|Us-Ur|IM体育_手机版官网,Uc为载波三角波电压幅值)。

              载波三角波的方程式为:

              uc=(1)

              i=1,2,3…

              当调制电平为ΔU时,求出触发脉冲起始点ti和终止点ti+1的方程式为:

          ,

          (2)

          (3)

              则脉冲宽度为:

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

              式中TΔ=2π/N,则各触发脉冲的起始角和终止角的数值为:

                   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;

                                   ……

              由图2可以看出:PWM正弦斩波波形是“镜对称”和“原点对称”,因此在它的傅里叶级数中将不包含恒定分量、余弦项和正弦项中的偶次谐波,只包含正弦项中的奇次谐波,故:

                         f(ωt)=bnsinnωt,n为奇数(5)     

              式中:bn=f(ωt)sinnωtd(ωt)

              对于基波,n=1,由于PWM正弦斩波波形是正弦的,即f(ωt)=Usmsinωt,所以:

              b1=(sin2xdx+sin2xdx+…)

                =sin2xdx

                =)=MUsm    (6)

              对于谐波

              bn=(sinxsinnxdx+sinxsinnxdx+…)

              当n=KN±1IM体育_手机版官网,K=1,2,3…时:

              bKN±1=sinxsinnxdx

                   =-sinKMπ   (7)

              当n≠KN±1时:

              bn≠KN±1=sinxsinnxdx=0

              所以,当补偿变压器的变比为ξ时IM体育_手机版官网,PWM正弦斩波电压uch的傅里叶级数表示式为:             

              uch=MUsmsinωt-sinKMπsin(KN±1)ωt    (8)

              补偿电压uco的方程式为:

              uco=ξMUsmsinωt-ξsinKMπsin(KN±1)ωt(9)

              由式(8)中的谐波幅值sinKMπ可以算出,当fc=10kHz,N=200,M=0.1~0.9时IM体育_手机版官网,基波与各次谐波的幅值如表1所示?;ê透鞔涡巢ㄓ氲髦票萂的关系曲线如图3所示??芍?IM体育_手机版官网,PWM正弦斩波电压的谐波频率与载波比N成正比,N越大谐波频率越高,所需的交流滤波器LFCF的参数越小,当N大到一定程度时IM体育_手机版官网,甚至只用Tr漏感及一个很小的电容CF就可以滤掉所有uco中的高次谐波。

          表1   基波和各次谐波与调制比M的关系

          谐波分量 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  主电路与斩波开关的结构形式

              主电路与PWM正弦斩波器开关的结构形式如图4所示,其中图4(a)是用两个PWM正弦斩波器开关的主电路,当us>ur时S2导通IM体育_手机版官网,Tr按降压自耦变压器方式工作,输出电压-ucoIM体育_手机版官网,以抵消市电电压中的高出部分;当usur时开关S2和S3导通IM体育_手机版官网,Tr工作在降压自耦变压器状态IM体育_手机版官网,输出电压-uco,以抵消市电电压中的高出部分;当us


          (a)主电路之一(b)主电路之二(c)主电路之三

          (d)主电路之四(e)斩波开关型式

          图4  主电路与PWM斩波开关型式

          2.3  线路阻抗的补偿

              在图4所示的主电路中,补偿变压器Tr次级绕组的电阻和漏感IM体育_手机版官网IM体育_手机版官网,以及交流滤波电感LF的绕组电阻图3谐波分量与调制比M的关系曲线和电感,与市电电源的内阻抗共同组成线路阻抗Z。在有负载时线路阻抗Z产生的电压降Zis对稳压精度是有直接影响的。为了提高稳压电源的精度IM体育_手机版官网,对Z的影响应进行补偿,其补偿电路如图1中虚线电路所示。由于Zis使输出电压uo减小,减小的程度与电流is成正比IM体育_手机版官网,因而在控制电路中加入了一个乘法器,将测得的is与Z相乘的Zis信号串入到us检测电路中,使us相应减小一些即可以补偿掉Zis的影响IM体育_手机版官网。PWM正弦斩波器开关管的正向压降IM体育_手机版官网、变压器Tr初级绕组的电阻和漏感,也可以造成PWM正弦斩波器输出电压uco值的减小IM体育_手机版官网,对稳压精度也有影响IM体育_手机版官网,但这个影响较固定且数值不大,因此可以通过调高变压器Tr的变比ξ来补偿IM体育_手机版官网。

          2.4  考虑线路阻抗Z的补偿分析

              假定市电电压us大于或小于基准电压ur,在考虑到线路阻抗Z时稳压电源输出电压uo的方程式为:

              uo=us-Zis±uco    (10)

          式中:us=Ussinωt;

                is=IssinωtIM体育_手机版官网。

              补偿变压器Tr的变比ξ=Uc/Usm,Usm=Us

              将式(9)及us、is的值代入式(10)得:

              uo=Ussinωt-ZIssinωt±ξMUsmsinωt

                  ξsinKMπ·sin(KN±1)ωt

              用电路中的交流滤波器LFCF滤掉uco中的高次谐波后可得:

              uo=Ussinωt-ZIssinωt±ξMUsmsinωt(11)

              当us增高到>ur时,>Usm,由于ΔU=-ZIs-Ur,M=ΔU/Uc=(-ZIs-Ur)/UcIM体育_手机版官网,ξ′=Uc/IM体育_手机版官网,代入式(11)得:

              uo=sinωt-ZIssinωt-

                          ξ′〔(-ZIs-Ur)/Uc〕sinωt

                       =Ursinωt            (12)

               当us降至us″

              uo=sinωt-ZIssinωt+

                         ξ″〔(Ur-+ZIs)/Uc〕sinωt

                 =Ursinωt                   (13)

              图1所示PWM正弦斩波器式稳压电源,在工作过程中有以下6种情况:

              1)us增至>ur+Zis时,uco=-Zis-urIM体育_手机版官网,输出电压uo=-(-Zis-ur)-Zis=ur

              2)us降至+ZisIM体育_手机版官网,输出电压uo=+(ur-+Zis)-Zis=ur

              3)us=ur时,uco=-Zis,输出电压uo=us-(-Zis)-Zis=us=ur

              4)空载(is=0)>ur时,uco=-ur,输出电压uo=-(-ur)=ur

              5)空载(is=0)+ur,输出电压uo=+(-+ur)=ur

              6)空载(is=0)us=ur时,uco=0,不补偿。

              从以上分析可知:当市电电压波动(欠压或过压)或负载变化时,用以直流表示的usIM体育_手机版官网、ur,is的有效值(Us-ZIs-Ur)=ΔU或(Ur-Us+ZIs)=ΔU作调制电压的EPWM正弦斩波器的输出电压ucoIM体育_手机版官网,完全可以补偿输出电压uo的变化,保持uo=ur不变,达到稳压目的。

              但由于采用的是直流电平EPWM控制,故不能检测出波形畸变,因此这种稳压电源不能对市电电压中的谐波、闪变和尖脉冲等进行补偿IM体育_手机版官网,但可以依靠交流滤波器滤掉一些。

              补偿变压器Tr的变比ξ=Uc/Usm的大小取决于市电电压的最大变化范围IM体育_手机版官网。市电电压的最大变化范围一般为±10%。但实际上有的地方最大变化范围可达±20%,所以变比ξ'取1.7/10,ξ″取2.5/10,相对应的补偿变压器容量也应取稳压电源标称容量的25%。

          用EPWM高频斩波器的原理IM体育_手机版官网IM体育_手机版官网,同样可以制成三相补偿式交流稳压电源,只要用三组如图1所示的电路即可。这样的三相补偿式交流稳压电源,还可以补偿掉三相电压的不对称。

          3  结语

              按照图1原理制成的一台单相2.5kVA的稳压电源,经实验证明:当输入电压变化范围为±15%时,输出电压的变化小于±1%IM体育_手机版官网;谐波含量小于25%IM体育_手机版官网。这种稳压电源的特点是:补偿变压器工作在变比ξ″=2.5/10,ξ'=1.7/10的自耦变压器状态,其伏安定额大,体积小、重量轻,反应速度快,可以实现无级补偿、补偿精度高,电路简单IM体育_手机版官网。当市电电压正?;蚩赵厥盨3不工作(空载时与门关断,S3不能触发),补偿变压器不耗电,电源损耗小。其缺点是由于Tr工作在自耦变压器状态,初IM体育_手机版官网、次级之间有电的连接,故接地不方便。另一个缺点是由于采用了直流有效值控制,故只能补偿市电电压的大小变化IM体育_手机版官网IM体育_手机版官网,不能补偿市电电压中的谐波、闪变和尖脉冲,但交流滤波器可以使谐波、闪变和尖脉冲减小。


          IM体育_手机版官网