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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:

    目前使用較多的是三相柱式電力穩壓器,它雖然有很多優點,但由于使用了機械傳動和碳刷進行調節悟空彩票平台注册,因而具有工作壽命短、可靠性差、動態響應時間長等缺點,正在被無觸點補償式穩壓電源所取代悟空彩票平台注册?!把a償”具有“補足”和“抵消”兩種意思。所謂補償式穩壓電源悟空彩票平台注册,就是用多個補償變壓器(一般是2~4個),將其次級串入主電路中,通過由雙向晶閘管或固態繼電器(由光耦、觸發電路和雙向晶閘管組成的電路模塊)組成的“多全橋”轉換電路,用切換多個補償變壓器初級頭、尾的連接方式,來調節補償電壓的大小或正負進行有級補償。當市電電壓高于標稱電壓時進行負補償;低于標稱電壓時進行正補償。由于去掉了機械傳動和碳刷,因而提高了壽命悟空彩票平台注册、可靠性和動態響應速度,使穩壓電源的性能得到了很大的改進。但仍然還存在一些缺點:如只能有級調節悟空彩票平台注册、調節精度不高(取決于補償變壓器的最小電壓,調節精度一般為2%~5%)悟空彩票平台注册,所用補償變壓器個數較多悟空彩票平台注册,因而補償變壓器的“多全橋”轉換電路用的開關數也多,電路相對復雜等悟空彩票平台注册。本文取其優點,避其缺點,提出了用PWM高頻斬波器進行補償的交流穩壓電源,使交流穩壓器的性能得到了進一步的提高。

    2  用PWM高頻斬波器的補償式交流穩壓電源

        這種穩壓電源是采用PWM高頻斬波器產生的補償電壓uco對市電電壓的波動(欠壓或過壓)進行補償悟空彩票平台注册,其原理電路如圖1所示悟空彩票平台注册。圖中S1和S2為采用雙向晶閘管或固態繼電器的交流開關,用切換變壓器Tr的兩個初級繞組來控制補償電壓的方向悟空彩票平台注册悟空彩票平台注册,它的次級繞組串入主電路中,以對市電電壓的波動進行補償:當市電電壓高于標稱電壓時S2導通,Tr按降壓自耦變壓器方式工作,輸出反向電壓來抵消市電電壓高出的部分;當市電電壓低于標稱電壓時S1導通,Tr按升壓自耦變壓器方式工作悟空彩票平台注册,輸出正向電壓來補足市電電壓不足的部分。S3是PWM高頻斬波器開關,用來調節補償電壓的大小,以實現無級精確補償。由于S3工作在高頻開關狀態,因而采用了由兩個IGBT反并聯組成的,而且帶有零電流開通,零電壓關斷緩沖電路的交流開關悟空彩票平台注册,以減少開關損耗,提高斬波效率。

        由市電電壓us與基準電壓ur相減的差值ΔU(直流電壓)控制PWM調制器,在載波三角波電壓小于ΔU的部分產生S3的正向觸發脈沖控制S3斬波。這樣,在補償變壓器Tr的次級就可以產生出補償電壓uco。uco的大小等于us與ur有效值之差|Us-Ur|,uco的方向取決于Us-Ur等于正還是負來決定:當Us-Ur等于正值時S2導通悟空彩票平台注册,uco為負,當Us-Ur等于負值時S1導通,uco為正,以補償市電電壓達到標稱值悟空彩票平台注册。圖中LF、CF為交流濾波器,以濾掉補償電壓uco和市電電壓us中的高次諧波。


    圖1  采用PWM高頻斬波器的補償式交流穩壓源電路原理框圖

        斬波器開關S3采用的是等電位直流脈寬調制EPWM(Equipotential-PWM),EPWM觸發脈沖的形成與交流正弦電壓的PWM斬波波形如圖2所示悟空彩票平台注册。


    圖2   EPWM調制與正弦PWM斬波波形

    2.1  正弦斬波電壓的諧波分析

        正弦斬波電壓的波形如圖2所示,為了使波形具有半波奇對稱,和1/4周期偶對稱悟空彩票平台注册,以消除其傅里葉級數中的余弦項和正弦項中的偶次諧波,取載波比N=fc/fs=4k(式中fc為載波三角波頻率悟空彩票平台注册,fs為市電工頻頻率),調制比M=Δt/TΔ=ΔU/Uc(式中Δt為觸發脈沖寬度悟空彩票平台注册悟空彩票平台注册,TΔ=1/fc為載波三角波周期,ΔU為等電位直流調制電壓,ΔU=|Us-Ur|,Uc為載波三角波電壓幅值)。

        載波三角波的方程式為:

        uc=(1)

        i=1,2,3…

        當調制電平為ΔU時,求出觸發脈沖起始點ti和終止點ti+1的方程式為:

    ,

    (2)

    (3)

        則脈沖寬度為:

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

        式中TΔ=2π/N,則各觸發脈沖的起始角和終止角的數值為:

             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悟空彩票平台注册;

                             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”,因此在它的傅里葉級數中將不包含恒定分量、余弦項和正弦項中的偶次諧波,只包含正弦項中的奇次諧波,故:

                   f(ωt)=bnsinnωt,n為奇數(5)     

        式中:bn=f(ωt)sinnωtd(ωt)

        對于基波,n=1,由于PWM正弦斬波波形是正弦的,即f(ωt)=Usmsinωt悟空彩票平台注册,所以:

        b1=(sin2xdx+sin2xdx+…)

          =sin2xdx

          =)=MUsm    (6)

        對于諧波

        bn=(sinxsinnxdx+sinxsinnxdx+…)

        當n=KN±1悟空彩票平台注册,K=1,2,3…時:

        bKN±1=sinxsinnxdx

             =-sinKMπ   (7)

        當n≠KN±1時:

        bn≠KN±1=sinxsinnxdx=0

        所以悟空彩票平台注册,當補償變壓器的變比為ξ時,PWM正弦斬波電壓uch的傅里葉級數表示式為:             

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

        補償電壓uco的方程式為:

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

        由式(8)中的諧波幅值sinKMπ可以算出,當fc=10kHz,N=200,M=0.1~0.9時,基波與各次諧波的幅值如表1所示?;ê透鞔沃C波與調制比M的關系曲線如圖3所示悟空彩票平台注册??芍?,PWM正弦斬波電壓的諧波頻率與載波比N成正比悟空彩票平台注册悟空彩票平台注册,N越大諧波頻率越高,所需的交流濾波器LFCF的參數越小悟空彩票平台注册,當N大到一定程度時,甚至只用Tr漏感及一個很小的電容CF就可以濾掉所有uco中的高次諧波悟空彩票平台注册。

    表1   基波和各次諧波與調制比M的關系

    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按降壓自耦變壓器方式工作,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悟空彩票平台注册;當us


    (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)斬波開關型式

    圖4  主電路與PWM斬波開關型式

    2.3  線路阻抗的補償

        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諧波分量與調制比M的關系曲線和電感,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對穩壓精度是有直接影響的。為了提高穩壓電源的精度悟空彩票平台注册,對Z的影響應進行補償,其補償電路如圖1中虛線電路所示。由于Zis使輸出電壓uo減小悟空彩票平台注册,減小的程度與電流is成正比悟空彩票平台注册,因而在控制電路中加入了一個乘法器,將測得的is與Z相乘的Zis信號串入到us檢測電路中,使us相應減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悟空彩票平台注册、變壓器Tr初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值的減小,對穩壓精度也有影響,但這個影響較固定且數值不大,因此可以通過調高變壓器Tr的變比ξ來補償。

    2.4  考慮線路阻抗Z的補償分析

        假定市電電壓us大于或小于基準電壓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=Ussinωt;

          is=Issinωt。

        補償變壓器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us增高到>ur時悟空彩票平台注册,>Usm,由于ΔU=-ZIs-Ur悟空彩票平台注册悟空彩票平台注册,M=ΔU/Uc=(-ZIs-Ur)/Uc,ξ′=Uc/,代入式(11)得:

        uo=sinωt-ZIssinωt-

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

                 =Ursinωt            (12)

         當us降至us″

        uo=sinωt-ZIssinωt+

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

           =Ursinωt                   (13)

        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種情況:

        1)us增至>ur+Zis時悟空彩票平台注册,uco=-Zis-ur,輸出電壓uo=-(-Zis-ur)-Zis=ur

        2)us降至+Zis悟空彩票平台注册,輸出電壓uo=+(ur-+Zis)-Zis=ur

        3)us=ur時,uco=-Zis悟空彩票平台注册,輸出電壓uo=us-(-Zis)-Zis=us=ur

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

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

        6)空載(is=0)us=ur時悟空彩票平台注册,uco=0,不補償悟空彩票平台注册。

        從以上分析可知:當市電電壓波動(欠壓或過壓)或負載變化時,用以直流表示的us、ur,is的有效值(Us-ZIs-Ur)=ΔU或(Ur-Us+ZIs)=ΔU作調制電壓的EPWM正弦斬波器的輸出電壓uco,完全可以補償輸出電壓uo的變化,保持uo=ur不變,達到穩壓目的悟空彩票平台注册。

        但由于采用的是直流電平EPWM控制,故不能檢測出波形畸變,因此這種穩壓電源不能對市電電壓中的諧波、閃變和尖脈沖等進行補償,但可以依靠交流濾波器濾掉一些悟空彩票平台注册。

        補償變壓器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%。但實際上有的地方最大變化范圍可達±20%,所以變比ξ'取1.7/10悟空彩票平台注册悟空彩票平台注册,ξ″取2.5/10,相對應的補償變壓器容量也應取穩壓電源標稱容量的25%。

    用EPWM高頻斬波器的原理,同樣可以制成三相補償式交流穩壓電源,只要用三組如圖1所示的電路即可悟空彩票平台注册。這樣的三相補償式交流穩壓電源,還可以補償掉三相電壓的不對稱悟空彩票平台注册。

    3  結語

        按照圖1原理制成的一臺單相2.5kVA的穩壓電源,經實驗證明:當輸入電壓變化范圍為±15%時悟空彩票平台注册,輸出電壓的變化小于±1%;諧波含量小于25%。這種穩壓電源的特點是:補償變壓器工作在變比ξ″=2.5/10悟空彩票平台注册,ξ'=1.7/10的自耦變壓器狀態,其伏安定額大,體積小、重量輕,反應速度快,可以實現無級補償、補償精度高悟空彩票平台注册,電路簡單悟空彩票平台注册。當市電電壓正?悟空彩票平台注册;蚩蛰d時S3不工作(空載時與門關斷,S3不能觸發),補償變壓器不耗電,電源損耗小悟空彩票平台注册。其缺點是由于Tr工作在自耦變壓器狀態,初、次級之間有電的連接悟空彩票平台注册,故接地不方便悟空彩票平台注册。另一個缺點是由于采用了直流有效值控制,故只能補償市電電壓的大小變化,不能補償市電電壓中的諧波、閃變和尖脈沖,但交流濾波器可以使諧波、閃變和尖脈沖減小。


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