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1.引言 精密電子儀器設(shè)備廣泛應(yīng)用于家庭、工業(yè)生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化、實(shí)驗(yàn)研究、通信工程、醫(yī)療等領(lǐng)域，一般均由城市電網(wǎng)供電。城市電網(wǎng)額定電壓為單相220V，是人為規(guī)定的理想狀態(tài)的電壓。由于來自變壓器的供電線路首端電壓為（220+10%）V、尾端電壓為（220-10%）V，因而要求電氣設(shè)備具備一定的抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)的能力。盡管大部分電器設(shè)備具有抗電源電壓波動(dòng)的能力，但是據(jù)統(tǒng)計(jì)，電源電壓的波動(dòng)是引起電氣設(shè)備故障的原因之一，因此，這些電氣設(shè)備需要使用穩(wěn)壓電源才能保障其正常運(yùn)行。 穩(wěn)壓電源是對(duì)電網(wǎng)電壓起穩(wěn)定作用的設(shè)備，在我國(guó)已應(yīng)用多年，如：伺服電機(jī)帶動(dòng)調(diào)壓變壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)式、可變電抗器式、磁飽和式自動(dòng)穩(wěn)壓電源等。 上述穩(wěn)壓電源原理上都是對(duì)電網(wǎng)電壓取樣，經(jīng)過比較處理和使用伺服電機(jī)或無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行調(diào)整，以使交流電壓穩(wěn)定輸出。這類穩(wěn)壓電源一般穩(wěn)壓效果較差，精度在1%"0.5%。 目前的交流穩(wěn)壓電源主要存在下列問題： （1）使用非線性電抗器往往帶來諧波，對(duì)電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量沒有改善，有的還帶有附加波形失真對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。 （2）采樣時(shí)間和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)。 這兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)穩(wěn)壓器性能影響較大，采樣方式一般采用有效值或平均值采樣，至少需要幾個(gè)周期；而伺服電機(jī)執(zhí)行調(diào)整動(dòng)作一般需幾秒到幾十秒，時(shí)間過長(zhǎng)且對(duì)電壓波形沒有改善作用。這些穩(wěn)壓方法，對(duì)電網(wǎng)電壓中變化速度較快的干擾諸如浪涌、下陷、脈沖干擾和高頻干擾等來不及反應(yīng)和執(zhí)行，造成干擾穿過穩(wěn)壓裝置到達(dá)用電設(shè)備，對(duì)電氣設(shè)備不能起到保護(hù)作用，還可能造成電氣設(shè)備不能正常運(yùn)行甚至損壞。 由此可見，在電網(wǎng)電壓發(fā)生變化和干擾時(shí)，使穩(wěn)壓電源的輸出電壓快速回到額定值附近，給電氣設(shè)備提供波形良好、幅值穩(wěn)定的正弦交流電壓，對(duì)保障其安全正常運(yùn)行將有很大好處。 2. 瞬時(shí)比較交流穩(wěn)壓方法 下面介紹一種可以改善上述交流穩(wěn)壓電源不足的交流穩(wěn)壓新方法，即用瞬時(shí)比較法——波形修補(bǔ)技術(shù)制作交流穩(wěn)壓電源，基本原理示意如圖1。 電網(wǎng)電壓uin=額定電壓uS+⊿u 電網(wǎng)電壓uin+控制電壓uC=輸出電壓uout 圖1 波形修補(bǔ)技術(shù)示意圖 其中額定電壓uS是由人為規(guī)定的理想狀態(tài)的電壓，⊿u是電網(wǎng)電壓對(duì)額定電壓的偏離，不管大小，只要偏離額定電壓，可由人工制造的控制電壓uC與電網(wǎng)電壓uin進(jìn)行疊加。若讓人為制作的控制電壓uC等于-⊿u，在⊿u變化時(shí)，-⊿u也隨之改變，輸入電壓uin與控制電壓uC疊加后就等于額定電壓uS。在城市電網(wǎng)中，單相額定電壓有效值為220V。 控制電壓的獲得示意如圖2所示。 對(duì)于輸入電壓引起的變化,首先將輸入電壓進(jìn)行采樣，變比系數(shù)為1/A， uin/A=（uS+⊿u1）/A = uS/A+⊿u1/A 人為制造一個(gè)參考電壓ur，與電網(wǎng)電壓同頻同相，有效值為US/A，且波形良好。輸入電壓uin的采樣值與ur比較后其差值為⊿u1/A，即uin—ur=⊿u1/A, 然后將此電壓差值和功率放大β倍。 令β=A，則被放大后的值就是⊿u1，再通過耦合變壓器將⊿u1反相疊加到電路中，此時(shí)輸出電壓就等于額定電壓，即uout=uS=Aur=βur。此時(shí)，由于β是一個(gè)放大系數(shù)，uout的性能僅與ur有關(guān)。 ur是人為產(chǎn)生的實(shí)在電壓，可由模擬或數(shù)字電路獲得，具有良好性能指標(biāo)，ur的穩(wěn)定也就決定了輸出電壓的穩(wěn)定。 由以上分析看出，瞬時(shí)比較交流穩(wěn)壓方法的實(shí)質(zhì)是：采用輸入電壓與參考電壓進(jìn)行瞬時(shí)比較找出其波形的不足，通過控制電壓的疊加，對(duì)輸入電壓波形進(jìn)行改善和修補(bǔ)，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。輸出電壓的電能質(zhì)量由ur決定，波形良好、幅值穩(wěn)定；而輸入電壓僅是給電源內(nèi)部工作和穩(wěn)定的電壓輸出提供能量，使用小功率控制電壓得到大功率的穩(wěn)定輸出電壓。這樣輸出能量由電網(wǎng)提供，控制電壓僅用來修補(bǔ)電網(wǎng)中與額定電壓偏離的波動(dòng)部分。 同樣，對(duì)于輸入電壓不變，而由于負(fù)載的變化引起輸出電壓改變時(shí)，從輸出電壓端采樣，用類似辦法調(diào)整控制電壓uC2，使控制電壓uC2改變，維持輸出電壓穩(wěn)定，而不影響輸入電壓。 方案實(shí)施中出于經(jīng)濟(jì)角度的考慮，為了簡(jiǎn)化電路，將上述控制電壓uC1的獲得和控制電壓uC2的獲得在具體電路上合并，得到圖3所示的原理框圖。 由圖3可見，輸入電壓與參考電壓的比較值和輸出電壓與參考電壓的比較值經(jīng)加法器相加，再由電壓與功率放大電路進(jìn)行放大，經(jīng)耦合變壓器得到控制電壓uC，疊加在輸入電壓與輸出電壓之間�？刂齐妷簎C主要用來修補(bǔ)波形、調(diào)整電源電壓，同時(shí)起到隔離輸入電源和負(fù)載的作用。 圖3 簡(jiǎn)化電路原理框圖 3．與常規(guī)穩(wěn)壓電源的比較 用上述原理制作的穩(wěn)壓電源與常規(guī)原理制作的穩(wěn)壓電源相比有如下特點(diǎn)： （1）響應(yīng)速度快。由于全部選用高速線性電子器件，瞬時(shí)采樣、瞬時(shí)執(zhí)行，控制響應(yīng)速度極快，毫秒級(jí)以下即可完成調(diào)整，使輸出電壓快速回到額定電壓附近。因此對(duì)于高頻干擾及噪音具有抑制作用，對(duì)毫秒級(jí)干擾有凈化作用，這是一般穩(wěn)壓電源做不到的。 （2）輸入電壓適用范圍寬。輸入電壓變化可達(dá)30%"50%甚至更多，且可以對(duì)稱調(diào)節(jié)，范圍越寬需提供修補(bǔ)能量越多�？刂齐妷喝≈刀嗌僦饕尚枨蠖ǎ瑥慕�(jīng)濟(jì)實(shí)用角度來看，取(8"10)% 為宜。 （3）穩(wěn)壓精度高。隨參考電壓的產(chǎn)生方式不同，穩(wěn)壓效果可達(dá)1%、0.1%、0.01%。不同精度的穩(wěn)壓，適用不同要求的場(chǎng)合。1%用于一般穩(wěn)壓要求場(chǎng)合；0.1%用于實(shí)驗(yàn)室或重要的工業(yè)設(shè)備；0.01%可用于儀表檢定。 （4）具有綠色電源特點(diǎn)。該方法首先對(duì)電網(wǎng)電壓的波形進(jìn)行修正，修正成良好的正弦波，再對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，修補(bǔ)能量多少由需要決定。由于該方法的實(shí)質(zhì)是對(duì)電網(wǎng)波形的修正，修正后的波形失真度一般小于1% "0.5%，因此，該種穩(wěn)壓方法是綠色的。 （5）具有一定的環(huán)保性質(zhì)。假如輸入電壓不變，由于負(fù)載性質(zhì)的不同引起輸出電壓變化，在一定的諧波范圍內(nèi)利用控制電壓的相應(yīng)改變使輸出電壓不變。由于控制電壓具有隔離作用，影響不到輸入電壓，因此，該穩(wěn)壓方法具有一定的環(huán)保性。 （6）工作效率高。該電源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。輸出電壓的容量主要取自電網(wǎng)，而控制電壓一般是電網(wǎng)電壓偏離額定電壓的部分，所以只需消耗制造控制電源的功率，因此效率極高。 以300 VA 輸出電源為例：若電網(wǎng)電壓波動(dòng)+10%，只需控制+10%電源波動(dòng)，若制造該控制電源的效率為30%，則需制造該控制電源的消耗功率100 VA ，整機(jī)效率為300/（300+100）=75%。且制作控制電源方法效率越高，整機(jī)工作效率越高。 以采用逆變方式為例：制作0.01%高穩(wěn)定度電源，由于AC/DC、DC/AC轉(zhuǎn)換加上功放器件效率的限制，在不計(jì)其他損耗的情況下，其整體效率在30%以下。而用瞬時(shí)比較法制作同樣功率的穩(wěn)壓電源時(shí)，只需制作用于修補(bǔ)10%波動(dòng)的控制電源的功率，即使控制電源制作也采用逆變方式，那么消耗的功率只相當(dāng)于逆變方式的1/10。顯而易見，在制作高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源時(shí)，用瞬時(shí)比較法相比采用逆變方式的穩(wěn)壓電源的效率要高得多。 （7）不使用大電感、大電容等低頻濾波器件，體積小、重量輕，輸出波形良好，一般波形失真度在1%"0.5%。 （8）這種穩(wěn)壓器可與其他穩(wěn)壓器級(jí)聯(lián)，在使用時(shí)穩(wěn)定精度范圍設(shè)定越窄能耗越小。如前級(jí)穩(wěn)壓器穩(wěn)定精度為2%時(shí)，若需輸出5000 VA的功率 ，則只需制造100 VA 的控制電源，穩(wěn)定度可達(dá)到0.1%以上。 （9）可使用快速保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載端瞬時(shí)短路故障時(shí)，控制電源即刻退出工作。此時(shí)，耦合變壓器相當(dāng)于一個(gè)電抗器（耦合變壓器是引入控制電源的變壓器），具有限制短路電流增長(zhǎng)的作用，故障消除后，控制電源自行恢復(fù)工作。 4．應(yīng)用效果 最初使用該控制方式研制了補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源，其主導(dǎo)思想是對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行負(fù)反饋控制，穩(wěn)定度為0.1%，波形失真度為1%，功率為100VA。由于當(dāng)時(shí)器件選擇受到限制，保護(hù)速度跟不上等問題，這種穩(wěn)壓電源未能得到推廣應(yīng)用。在其后使用瞬時(shí)比較和波形修補(bǔ)技術(shù)，對(duì)原設(shè)計(jì)方案、器件選擇、快速保護(hù)投入電路等進(jìn)行了優(yōu)化處理。經(jīng)多次改進(jìn)和試驗(yàn)，為電能表檢定制作的輸出功率300VA的交流穩(wěn)壓電源具備了實(shí)用功能，實(shí)測(cè)達(dá)到如下指標(biāo)： 在輸入的電網(wǎng)電壓變化+10%時(shí)，用數(shù)字電壓表測(cè)量，輸出電壓穩(wěn)定度最大跳字不超過+0.03%/3分鐘，輸出波形失真度＜0.5%。 該穩(wěn)壓電源具有如下特點(diǎn)： （1）電路全部由模擬器件組成，具有易選價(jià)廉的特點(diǎn)； （2）該電源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。只需制作30 VA控制功率就可以實(shí)現(xiàn)300VA的功率輸出； （3）輸出功率管不需組合管。在整機(jī)輸出功率300VA時(shí)，由于只需30VA控制功率，只用一對(duì)大功率管輸出即可，且不需要風(fēng)冷式散熱； （4）抗干擾能力強(qiáng)。測(cè)試中，在該電源同一房間同一供電線路上進(jìn)行三相電焊作業(yè)，輸出電壓不跳字； （5）由助手按此設(shè)計(jì)獨(dú)立自行制作的穩(wěn)壓電源具有相同的技術(shù)指標(biāo)，說明該設(shè)計(jì)方法一致性很好。 5．結(jié)論： 瞬時(shí)比較法——波形修補(bǔ)技術(shù)制作穩(wěn)壓電源的基本原理是采用輸入電壓的采樣值與參考電壓進(jìn)行比較，找出其波形的不足，再通過改變控制電壓改善和修補(bǔ)輸入電壓波形、穩(wěn)定幅值，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定的目的。其實(shí)質(zhì)是利用小功率的控制電源得到大容量的穩(wěn)定電壓輸出，是一種集綠色、環(huán)保、凈化、優(yōu)質(zhì)高效于一身的交流穩(wěn)壓方法。使用該技術(shù)研制的交流穩(wěn)壓電源具有廉價(jià)、指標(biāo)高、成本低、易控制的特點(diǎn)，還可根據(jù)需要擴(kuò)展為大功率的穩(wěn)壓電源。 使用這種穩(wěn)壓方法可以為科研、電腦機(jī)房、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、通訊設(shè)備、照明系統(tǒng)、音響視聽等設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)的交流穩(wěn)壓電源。 該交流穩(wěn)壓方法目前已申報(bào)國(guó)家專利。 |
