電源工程師設(shè)計(jì)全攻略（四）：交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

　　穩(wěn)壓電源包括直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源兩種，交流穩(wěn)壓電源是能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定交流電源的電子裝置，也稱交流穩(wěn)壓器。交流穩(wěn)壓電源目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，成套設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、輕紡、醫(yī)療、賓館、廣播電視、通訊設(shè)備等各種需要電壓穩(wěn)定的場(chǎng)合。以上使用場(chǎng)合如配接計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通訊接口，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端對(duì)電源穩(wěn)壓器的遙控、遙信和遙測(cè)。

　　1.無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器

　?、?鐵磁諧振式交流穩(wěn)壓器：利用飽和扼流圈與相應(yīng)的電容器組合后具有恒壓伏安特性而制成的交流穩(wěn)壓裝置。磁飽和式是這種穩(wěn)壓器的早期典型結(jié)構(gòu)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制 造方便，輸入電壓允許變化范圍寬，工作可靠，過載能力較強(qiáng)。但波形失真較大，穩(wěn)定度不高。近年發(fā)展起來的穩(wěn)壓變壓器，也是借助電磁元件的非線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功 能的電源裝置。它與磁飽和式穩(wěn)壓器的區(qū)別在于磁路結(jié)構(gòu)形式的不同，而基本工作原理則相同。它在一個(gè)鐵心上同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和變壓雙重功能，所以優(yōu)于普通電源變 壓器和磁飽和穩(wěn)壓器。

　　②磁放大器式交流穩(wěn)壓器：將磁放大器和自耦變壓器串聯(lián)起來，利用電子線路改變磁放大器的阻抗以穩(wěn)定輸出電壓的裝置。其電路形式可以是線性放大，也可以是脈寬調(diào)制等。這類穩(wěn)壓器帶有反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)，所以穩(wěn)定度高，輸出波形好。但因采用慣性較大的磁放大器，故恢復(fù)時(shí)間較長。又因采用自耦方式，所以抗干擾能力較差。

　　③感應(yīng)式交流穩(wěn)壓器：靠改變變壓器次級(jí)電壓相對(duì)于初級(jí)電壓的相位差，使輸出交流電壓獲得穩(wěn)定的裝置。它在結(jié)構(gòu)上類似 繞式異步電動(dòng)機(jī)，而原理上又類似感應(yīng)調(diào)壓器。它的穩(wěn)壓范圍寬，輸出電壓波形好，功率可做到數(shù)百千瓦。但由于轉(zhuǎn)子經(jīng)常處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，故功耗較大，效率低。另 因銅、鐵用料多，故較少生產(chǎn)。

　　④晶閘管交流穩(wěn)壓器：用晶閘管作功率調(diào)整元件的交流穩(wěn)壓器。它具有穩(wěn)定度高、反應(yīng)快、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。但因?qū)κ须姴ㄐ斡袚p害，對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備造成干擾。

　　2.有觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器

　　滑動(dòng)式交流穩(wěn)壓器：用改變變壓器滑動(dòng)接點(diǎn)位置，使輸出電壓獲得穩(wěn)定的裝置，即是用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)調(diào)壓式交流穩(wěn)壓器。這類穩(wěn)壓器效率高，輸出電壓波形好，對(duì)負(fù)載性質(zhì)無特殊要求。但穩(wěn)定度較低，恢復(fù)時(shí)間較長。

　　隨著電源技術(shù)的發(fā)展，80年代又出現(xiàn)了下列3種新型交流穩(wěn)壓電源。①補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器：又稱部分調(diào)整式穩(wěn)壓器。利用補(bǔ)償變壓器的附加電壓串接在電源與負(fù)載之間，隨著輸入電壓的高低，用斷續(xù)式的交流開關(guān)（接觸器或晶閘管）或用連續(xù)式的伺服電動(dòng)機(jī)來改變附加電壓的大小或極 性，把輸入電壓高出部分（或不足部分）減去（或加上），從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。補(bǔ)償變壓器容量?jī)H為輸出功率的1/7左右，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)，但穩(wěn) 定度不高。②數(shù)控式交流穩(wěn)壓器和步進(jìn)式穩(wěn)壓器：由邏輯元件或微處理機(jī)構(gòu)成控制電路，按輸入電壓高低轉(zhuǎn)換變壓器初級(jí)匝數(shù)，使輸出電壓獲得穩(wěn)定。③靜化式交流穩(wěn)壓器：由于具有良好的隔離作用，能消除來自電網(wǎng)的尖峰干擾而得到應(yīng)用。電保鏢穩(wěn)壓器

　　3. 交流穩(wěn)壓電源應(yīng)用

　　3.1全自動(dòng)無觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器電路

　　在市電電壓為150V~300V范圍內(nèi)變化時(shí)本電路均可以準(zhǔn)確、快捷地調(diào)整輸出電壓。

　　電路如圖所示。市電經(jīng)過L1進(jìn)入VD1~VD4全橋整流以后加在晶閘管VT上，VT的導(dǎo)通角受到BT33的控制。BT33、C、R1、R2、R3和KP組成一個(gè)張弛振蕩器，改變KP可以改變振蕩周期。

　　當(dāng)市電電壓升高時(shí)，加在BT33上的電壓相應(yīng)升高，振蕩加快，VT導(dǎo)通角減小，VT上的電壓升高，使L1上的電壓不變；反之VT上的電壓降時(shí)L1上的電壓 仍然不變；于是經(jīng)過L2耦合后的電壓也就保持恒定。由于采用了全橋整流，L1、L2上的電壓都是正弦波。

　　VD1~VD4和VT上的電流要根據(jù)變壓器的容量選取且要有較大余量，耐壓均應(yīng)在600V以上。R1、R2選用3W電阻，KP最好選用2W以上的可調(diào)電阻。

　　3.2無觸點(diǎn)斬波式交流穩(wěn)壓器

　　采用增強(qiáng)型脈寬調(diào)制EPWM控制策略的無觸點(diǎn)斬波式交流穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)化原理電路如圖所示，它主要由主電路和控制電路兩部分組成的。主電路由橋式斬波器T1到T4及其輸出串聯(lián)補(bǔ)償變壓器Tr、直流整流電路D1到D4和交流輸出濾波器Lf、Cf組成。橋式斬波器通過其輸出串聯(lián)補(bǔ)償變壓器Tr的次級(jí)串聯(lián)在市電電源與負(fù)載之間，以便對(duì)市電電壓的波 動(dòng)進(jìn)行正負(fù)補(bǔ)償。橋式斬波器輸出電壓中的諧波，由輸出濾波器Lf、Cf來濾除。橋式斬波器所需的直流整流電源，由取自穩(wěn)壓電源輸出端的市電電源，通過二極管整流電路D1到D4來供給。這里應(yīng)指出的是，EPWM橋式斬波器電路T1到T4并不是工作在通常的逆變狀態(tài)，而是工作在橋式斬波狀態(tài)。這是由它的EPWM工作方式、直流電源電壓波形和直流電容Cd值的大小及其功能來區(qū)分的。如圖所示，橋式斬波器的直流電壓，不是通過電容Cd把整流電壓濾波成恒定平滑的直流電壓，而仍然為單相橋式整流未經(jīng)濾波的波形，可參考圖6b）。也就是說，直流電容Cd的值較小，不再具有直流濾波功能，而只是為了創(chuàng)造一個(gè)續(xù)流通路而設(shè)置的。由于斬波器的開關(guān)頻率較高，所以在一個(gè)續(xù)流周期內(nèi)的續(xù)流能量是很小的，因此Cd的值也很小。Cd的充放電 速度很快，不會(huì)影響整流電壓的上升和下降速度，使Cd上的電壓波形與濾波前的整流電壓波形相同。也就是說，Cd只有續(xù)流功能，不再具有濾波功能，因此Cd對(duì)整流波形不產(chǎn)生影響。橋式斬波器T1到T4是工作在EPWM斬波狀態(tài)， 而不是工作在逆變狀態(tài)。

　　3.3 補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器原理

　　補(bǔ)償式穩(wěn)壓器方式1、方式2的工作原理見圖1、圖2。圖中T1為補(bǔ)償變壓器，其二次繞組串聯(lián)在輸入電源回路中。T2為接觸式調(diào)壓器，其抽頭2和滑動(dòng)觸電構(gòu)成調(diào)壓器的輸出，接于補(bǔ)償變壓器的一次繞組。M為伺服電機(jī)，電子控制器檢測(cè)輸出電壓與額定值的偏差，從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓器的電刷轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變調(diào)壓器抽頭2和滑動(dòng)點(diǎn)的輸出電壓，即補(bǔ)償變壓器T1的一次繞組的輸入電壓，也就改變了T1的二次繞組的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

　　當(dāng)輸入電壓低于額定電壓220V時(shí)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)在抽頭2和3之間移動(dòng)，輸入電壓越低，滑動(dòng)觸點(diǎn)越向3移動(dòng)，調(diào)壓器的輸出電壓越高，補(bǔ)償電壓U2也就越大，由于此時(shí)補(bǔ)償變壓器T1的二次繞組補(bǔ)償電壓U2與輸入電壓Uin相同，U2對(duì)輸入電壓進(jìn)行了補(bǔ)償。當(dāng)輸入電壓高于額定電壓220V時(shí)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)在抽頭1和2之間滑動(dòng)，輸入電壓越高，滑動(dòng)觸點(diǎn)越向1移動(dòng)，反向補(bǔ)償電壓U2也越大，由于此時(shí)補(bǔ)償變壓器T1的二次繞組不補(bǔ)償電壓U2與輸入電壓Uin反向，輸出電壓Uout=Uin-U2l;U2對(duì)輸入電壓進(jìn)行了反相補(bǔ)償，使輸出電壓降低，達(dá)到穩(wěn)壓輸出的目的。

　　3.4用于汽車發(fā)電機(jī)的電子調(diào)壓器設(shè)計(jì)

　　所示為PI一2型晶體管調(diào)節(jié)器原理圖，該調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)部分主要由V1、V2、V3、V4和Vw組成。該調(diào)節(jié)器具有充電指示燈H電路外，還有如下特點(diǎn)：采用了兩只NPN型三極管與穩(wěn)壓管Vw串聯(lián)有二極管V6，用以對(duì)Vw進(jìn)行溫度補(bǔ)償;裝有正反饋電阻R9，以加速晶體管工作狀況的轉(zhuǎn)換過程；電容器C1用以降低開關(guān)的頻率，提高晶體管工作的穩(wěn)定性。由于這些特點(diǎn)，使PH一2的性能大大改進(jìn)。

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于調(diào)節(jié)電壓時(shí)，Vw不被擊穿，V1無基極電流而截止，V2基極處于高電位，V2導(dǎo)通，從而使V3導(dǎo)通，發(fā)電機(jī)的激磁回路被接通。同時(shí)、由于V3導(dǎo)通，其集電極電壓很高，該電壓通過R10加到V5的基極，使V5導(dǎo)通。

　　V4也通過R13導(dǎo)通，接通指示燈電路，充電指示燈亮。 當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓高于調(diào)節(jié)電壓時(shí)，Vw被擊穿，V1有基流而導(dǎo)通，使V2的基極為低電位而截止，V3也截止。V3截止后其集電極為負(fù)電位，從而V5無基流而截止，V4也截止，充電指示燈的電路被切斷，指示燈熄滅。當(dāng)調(diào)節(jié)器進(jìn)入正常調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，V3的截止與導(dǎo)通不斷轉(zhuǎn)換，其基極上是幅值約為l4V的矩形交變電壓，該電壓經(jīng)R11、、C4加到由二極管V9、V1組成的整流器上，使正半波通過V9負(fù)半波流過V10并使電容器C5充電。來自C5的負(fù)電壓經(jīng)V11、V12限制在1·5~1·6V左右，加到V5基極，使V5截止，故V4也截止，充電指示燈滅。因此當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓高于調(diào)節(jié)電壓后，充電指示燈滅，指示發(fā)電機(jī)已在充電。

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