PWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源的原理分析

表1 基波和各次諧波與調(diào)制比M的關(guān)系

2.2 主電路與斬波開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式

主電路與PWM正弦斬波器開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，其中圖4（a）是用兩個(gè)PWM正弦斬波器開關(guān)的主電路，當(dāng)us>ur時(shí)S2導(dǎo)通，Tr按降壓自耦變壓器方式工作，輸出電壓－uco，以抵消市電電壓中的高出部分；當(dāng)usur時(shí)S1導(dǎo)通，Tr按升壓自耦變壓器方式工作，輸出電壓＋uco，以補(bǔ)足市電電壓中的不足部分。圖4（b）是用兩個(gè)PWM正弦斬波開關(guān)和兩個(gè)雙向晶閘管（或固態(tài)繼電器）的主電路。這樣，變壓器Tr的次級(jí)只用一個(gè)繞組就可以了。當(dāng)us>ur時(shí)開關(guān)S2和S3導(dǎo)通，Tr工作在降壓自耦變壓器狀態(tài)，輸出電壓－uco，以抵消市電電壓中的高出部分；當(dāng)usur時(shí)開關(guān)S1和S4導(dǎo)通，Tr工作在升壓自耦變壓器狀態(tài)，輸出電壓＋uco，以補(bǔ)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，只是采用了一個(gè)PWM正弦斬波開關(guān)和四個(gè)雙向晶閘管。PWM正弦斬波器開關(guān)的結(jié)構(gòu)型式有三種，如圖4（e）所示。圖4所示各種主電路及其PWM正弦斬波器開關(guān)各有特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自身?xiàng)l件和需要選擇使用。

(a)主電路之一(b)主電路之二(c)主電路之三

(d)主電路之四(e)斬波開關(guān)型式

圖4 主電路與PWM斬波開關(guān)型式

2.3 線路阻抗的補(bǔ)償

在圖4所示的主電路中，補(bǔ)償變壓器Tr次級(jí)繞組的電阻和漏感，以及交流濾波電感LF的繞組電阻圖3諧波分量與調(diào)制比M的關(guān)系曲線和電感，與市電電源的內(nèi)阻抗共同組成線路阻抗Z。在有負(fù)載時(shí)線路阻抗Z產(chǎn)生的電壓降Zis對(duì)穩(wěn)壓精度是有直接影響的。為了提高穩(wěn)壓電源的精度，對(duì)Z的影響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電路如圖1中虛線電路所示。由于Zis使輸出電壓uo減小，減小的程度與電流is成正比，因而在控制電路中加入了一個(gè)乘法器，將測(cè)得的is與Z相乘的Zis信號(hào)串入到us檢測(cè)電路中，使us相應(yīng)減小一些即可以補(bǔ)償?shù)鬦is的影響。PWM正弦斬波器開關(guān)管的正向壓降、變壓器Tr初級(jí)繞組的電阻和漏感，也可以造成PWM正弦斬波器輸出電壓uco值的減小，對(duì)穩(wěn)壓精度也有影響，但這個(gè)影響較固定且數(shù)值不大，因此可以通過調(diào)高變壓器Tr的變比ξ來補(bǔ)償。

2.4 考慮線路阻抗Z的補(bǔ)償分析

假定市電電壓us大于或小于基準(zhǔn)電壓ur，在考慮到線路阻抗Z時(shí)穩(wěn)壓電源輸出電壓uo的方程式為：

uo=us－Zis±uco （10）

式中：us=Ussinωt；

is=Issinωt。

補(bǔ)償變壓器Tr的變比ξ=Uc/Usm，Usm=Us

將式（9）及us、is的值代入式（10）得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt±ξMUsmsinωt

ξsinKMπ·sin(KN±1)ωt

用電路中的交流濾波器LFCF濾掉uco中的高次諧波后可得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt±ξMUsmsinωt（11）

當(dāng)us增高到>ur時(shí)，>Usm，由于ΔU=－ZIs－Ur，M=ΔU/Uc=(－ZIs－Ur)/Uc，ξ′=Uc/，代入式（11）得：

uo=sinωt－ZIssinωt－

ξ′〔(－ZIs－Ur)/Uc〕sinωt

=Ursinωt (12)

當(dāng)us降至us″ur時(shí)，Usm″Usm，由于ΔU=UrUUs″+ZIs,M=ΔU/Uc=(Ur-Us″+ZIs)/Uc,ξ″=Uc/Usm″,代入式（11）得：

uo=sinωt－ZIssinωt＋

ξ″〔(Ur－＋ZIs)/Uc〕sinωt

=Ursinωt (13)

圖1所示PWM正弦斬波器式穩(wěn)壓電源，在工作過程中有以下6種情況：

1)us增至>ur＋Zis時(shí)，uco=－Zis－ur，輸出電壓uo=－(－Zis－ur)－Zis=ur

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

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

4)空載(is=0)>ur時(shí)，uco=－ur，輸出電壓uo=－(－ur)=ur

5)空載(is=0)ur時(shí)，uco=-+ur，輸出電壓uo=＋(－＋ur)=ur

6)空載(is=0)us=ur時(shí)，uco=0，不補(bǔ)償。

從以上分析可知：當(dāng)市電電壓波動(dòng)（欠壓或過壓）或負(fù)載變化時(shí)，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(diào)制電壓的EPWM正弦斬波器的輸出電壓uco，完全可以補(bǔ)償輸出電壓uo的變化，保持uo=ur不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

但由于采用的是直流電平EPWM控制，故不能檢測(cè)出波形畸變，因此這種穩(wěn)壓電源不能對(duì)市電電壓中的諧波、閃變和尖脈沖等進(jìn)行補(bǔ)償，但可以依靠交流濾波器濾掉一些。

補(bǔ)償變壓器Tr的變比ξ=Uc/Usm的大小取決于市電電壓的最大變化范圍。市電電壓的最大變化范圍一般為±10％。但實(shí)際上有的地方最大變化范圍可達(dá)±20％，所以變比ξ'取1.7/10，ξ″取2.5/10，相對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償變壓器容量也應(yīng)取穩(wěn)壓電源標(biāo)稱容量的25％。

用EPWM高頻斬波器的原理，同樣可以制成三相補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源，只要用三組如圖1所示的電路即可。這樣的三相補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源，還可以補(bǔ)償?shù)羧嚯妷旱牟粚?duì)稱。

3 結(jié)語

按照?qǐng)D1原理制成的一臺(tái)單相2.5kVA的穩(wěn)壓電源，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)輸入電壓變化范圍為±15％時(shí)，輸出電壓的變化小于±1％；諧波含量小于25％。這種穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)是：補(bǔ)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(tài)，其伏安定額大，體積小、重量輕，反應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)補(bǔ)償、補(bǔ)償精度高，電路簡(jiǎn)單。當(dāng)市電電壓正?；蚩蛰d時(shí)S3不工作（空載時(shí)與門關(guān)斷，S3不能觸發(fā)），補(bǔ)償變壓器不耗電，電源損耗小。其缺點(diǎn)是由于Tr工作在自耦變壓器狀態(tài)，初、次級(jí)之間有電的連接，故接地不方便。另一個(gè)缺點(diǎn)是由于采用了直流有效值控制，故只能補(bǔ)償市電電壓的大小變化，不能補(bǔ)償市電電壓中的諧波、閃變和尖脈沖，但交流濾波器可以使諧波、閃變和尖脈沖減小。