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由于我國交流電網的電壓波動較大，特別是邊遠農村地區，交流穩壓電源已成為許多電子設備不可缺少的供電裝置。按照工作原理，交流穩壓電源可分為參數調整(諧振)型、自耦(變比)調整型、大功率補償型和開關型等4種類型。本文介紹的Buck型正弦交流穩壓器,與傳統的上述4種類型相比，則具有負載適應能力強、穩壓性能好及輸出波形質量高等優點。 1 交流穩壓器的典型電路 參數調整(諧振)型交流穩壓電源，其工作原理如圖l(a)所示，是利用電路非線性元器件對電路中的電壓和電流進行凋整，從而實現輸出電壓的穩定。該類交流穩壓電源具有電路簡單、穩定精度高、抗干擾性強和輸入電壓范圍寬等優點，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感，輸入功率因數很低，輸出容量難以做大，無電氣隔離等缺陷。 自耦(變比)調整型交流穩壓器，其工作原理如圖1(b)所示，是以自耦變壓(調壓)器為基礎實現穩壓功能的。該類交流穩壓器具有電路簡單，輸入電壓范圍寬等優點，但存在輸出波形THD高，穩壓精度較低，體積重量大等缺陷。 大功率補償型交流穩壓電源，其工作原理如圖1(c)所示，是把線性變壓器串聯在輸入端和輸出端的主電路中，控制該變壓器初級電壓的大小和極性，利用其次級電壓對輸入電壓進行補償，從而實現輸出電壓的穩定。該類交流穩壓器具有輸出容量大，對電網適應能力好，效率高等優點，但存在輸出波形THD高，輸出與輸入無電氣隔離，動態性能差等缺陷。 開關型交流穩壓電源，其工作原理如圖l(d)所示，將輸入電網電壓整流后得到脈動直流電壓，然后通過高頻PWM技術逆變為交流電壓，再經過相位跟蹤和轉換電路后獲得與輸入側同頻同相的補償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實現輸出電壓的穩定。開關型交流穩壓電源，具有穩壓性能好，控制功能強，電路偏復雜，價格較高等特點。 2 新穎的Buck型正弦交流穩壓器的電路拓撲 新穎的Buck型正弦交流穩壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將一種不穩定的劣質交流電變換成另一種同頻穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離，電路拓撲簡潔，兩級功率變換(LFAC／HFAC／LFAC)，雙向功率流，網側功率因數高，功率密度高，變換效率高，負載適應能力強，音頻噪音低，可靠性高等優點。其半橋全波式電路拓撲，如圖2所示。該電路由輸入、輸出周波變換器，4個四象限功率開關(能夠承受雙向電壓應力和雙向電流應力)S1～S4構成。 當電網向負載傳遞功率時，輸入周波變換器將經LC輸入濾波器后的低頻交流電壓調制成高頻交流脈沖電壓，經高頻變樂器T隔離、傳輸后，輸出周波變換器將其解凋成低頻交流脈沖電壓uAB，經輸出濾波器后得到優質的恒壓恒頻交流電；當負載向電網回饋能量時，輸出周波變換器將輸出低頻交流電壓調制成高頻交流脈沖電流，經高頻變壓器T隔離、傳輸后，輸入周波變換器將其解調成低頻交流脈沖電流，經輸入濾波器后回饋到電網。 3 控制方案 新穎的Buck型正弦交流穩壓器，可采用單極性移相控制方案，其原理波形如圖3所示。單極性移相控制，是指輸入周波變換器右橋臂相對左橋臂的移相θ，并且輸出濾波器的前端電壓為單極性PWM波。通過調節移相角θ(0≤θ≤180°)，可實現輸入電網電壓、負載變化時輸出電壓的穩定與調節。 4 工程樣機 設計實例：全橋型式電路拓撲，單極性移相控制策略，額定容量P=1kVA，輸入電壓(交流50Hz)Ui=220(1±10％)V，輸出電壓Uo=110V／50Hz，開關頻率fS=40kHz，最大占空比Dmax=0．8，變壓器原、副邊繞組匝比N1/N2=20／18，輸入濾波電感，L=10μH，輸入濾波電容C=10μF，輸出濾波電感L=0．6mH，輸出濾波電容Cf=10μF，功率開關均選用快速IGBTHGTG20N60A4D(20A／600V)。 Buck型正弦交流穩壓器工程樣機的試驗波形，如圖4及圖5所示。試驗結果表明： (1)變壓器繞組電壓為雙極性、三態的高頻交流電壓波； (2)輸出周波變換器實現了零電壓ZVS開關； (3)輸出濾波器前端電壓為單極性PWM波，頻譜特性好； (4)輸出波形質量高； (5)穩壓性能好。 試驗結果與理論分析一致。 5 結語 新穎的Buck型正弦交流穩壓器的電路結構，由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構成，能夠將一種不穩定的劣質交流電變換成另一種同頻穩定的優質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換(LFAC／HFAC／LFAC)、雙向功率流、網側功率因數高、功率密度高、變換效率高、音頻噪音低、可靠性高等優點。采用單極性移相控制方案，Buck型正弦交流穩壓器具有強的負載適應能力，優良的穩壓性能和高質量的輸出正弦波形等優點。工程樣機試驗結果與理論分析一致。 |
