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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红中彩票|官网登录,因而具有工作壽命短、可靠性差、動態響應時間長等缺點红中彩票|官网登录,正在被無觸點補償式穩壓電源所取代红中彩票|官网登录?!把a償”具有“補足”和“抵消”兩種意思。所謂補償式穩壓電源红中彩票|官网登录,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”轉換電路红中彩票|官网登录,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、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红中彩票|官网登录。但仍然還存在一些缺點:如只能有級調節、調節精度不高(取決于補償變壓器的最小電壓红中彩票|官网登录,調節精度一般為2%~5%),所用補償變壓器個數較多,因而補償變壓器的“多全橋”轉換電路用的開關數也多,電路相對復雜等红中彩票|官网登录。本文取其優點红中彩票|官网登录红中彩票|官网登录,避其缺點红中彩票|官网登录,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红中彩票|官网登录。

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,其原理電路如圖1所示。圖中S1和S2為采用雙向晶閘管或固態繼電器的交流開關红中彩票|官网登录,用切換變壓器Tr的兩個初級繞組來控制補償電壓的方向红中彩票|官网登录,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導通红中彩票|官网登录,Tr按降壓自耦變壓器方式工作红中彩票|官网登录,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,輸出正向電壓來補足市電電壓不足的部分。S3是PWM高頻斬波器開關红中彩票|官网登录,用來調節補償電壓的大小红中彩票|官网登录,以實現無級精確補償。由于S3工作在高頻開關狀態红中彩票|官网登录,因而采用了由兩個IGBT反并聯組成的,而且帶有零電流開通红中彩票|官网登录红中彩票|官网登录,零電壓關斷緩沖電路的交流開關红中彩票|官网登录,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斬波红中彩票|官网登录。這樣红中彩票|官网登录,在補償變壓器Tr的次級就可以產生出補償電壓uco红中彩票|官网登录。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,uco為負红中彩票|官网登录红中彩票|官网登录,當Us-Ur等于負值時S1導通红中彩票|官网登录,uco為正红中彩票|官网登录,以補償市電電壓達到標稱值。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。


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所示红中彩票|官网登录,為了使波形具有半波奇對稱红中彩票|官网登录,和1/4周期偶對稱,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,fs為市電工頻頻率)红中彩票|官网登录,調制比M=Δt/TΔ=ΔU/Uc(式中Δt為觸發脈沖寬度,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時红中彩票|官网登录,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;

                         α4=π(3+M)/N红中彩票|官网登录;

                         ……

    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红中彩票|官网登录,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红中彩票|官网登录,即f(ωt)=Usmsinωt,所以:

    b1=(sin2xdx+sin2xdx+…)

      =sin2xdx

      =)=MUsm    (6)

    對于諧波

    bn=(sinxsinnxdx+sinxsinnxdx+…)

    當n=KN±1,K=1,2,3…時:

    bKN±1=sinxsinnxdx

         =-sinKMπ   (7)

    當n≠KN±1時:

    bn≠KN±1=sinxsinnxdx=0

    所以红中彩票|官网登录,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红中彩票|官网登录,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所示红中彩票|官网登录??芍熘胁势眧官网登录,PWM正弦斬波電壓的諧波頻率與載波比N成正比,N越大諧波頻率越高,所需的交流濾波器LFCF的參數越小红中彩票|官网登录,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中的高次諧波红中彩票|官网登录。

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所示红中彩票|官网登录,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導通红中彩票|官网登录,Tr按降壓自耦變壓器方式工作红中彩票|官网登录,輸出電壓-uco红中彩票|官网登录,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;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红中彩票|官网登录红中彩票|官网登录,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红中彩票|官网登录。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,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,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檢測電路中红中彩票|官网登录,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红中彩票|官网登录、變壓器Tr初級繞組的電阻和漏感红中彩票|官网登录,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來補償红中彩票|官网登录。

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红中彩票|官网登录,Usm=Us

    將式(9)及us红中彩票|官网登录、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,>Usm,由于ΔU=-ZIs-Ur红中彩票|官网登录,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,uco=-Zis-ur,輸出電壓uo=-(-Zis-ur)-Zis=ur

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

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

    4)空載(is=0)>ur時,uco=-ur红中彩票|官网登录,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,uco=0,不補償红中彩票|官网登录。

    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红中彩票|官网登录,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,達到穩壓目的红中彩票|官网登录。

    但由于采用的是直流電平EPWM控制,故不能檢測出波形畸變红中彩票|官网登录,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。

    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%红中彩票|官网登录,所以變比ξ'取1.7/10,ξ″取2.5/10红中彩票|官网登录,相對應的補償變壓器容量也應取穩壓電源標稱容量的25%红中彩票|官网登录。

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红中彩票|官网登录,只要用三組如圖1所示的電路即可。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。

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%時红中彩票|官网登录,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,ξ'=1.7/10的自耦變壓器狀態红中彩票|官网登录,其伏安定額大,體積小、重量輕,反應速度快红中彩票|官网登录,可以實現無級補償、補償精度高,電路簡單。當市電電壓正?;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。其缺點是由于Tr工作在自耦變壓器狀態红中彩票|官网登录,初红中彩票|官网登录、次級之間有電的連接,故接地不方便。另一個缺點是由于采用了直流有效值控制红中彩票|官网登录,故只能補償市電電壓的大小變化红中彩票|官网登录,不能補償市電電壓中的諧波红中彩票|官网登录、閃變和尖脈沖,但交流濾波器可以使諧波红中彩票|官网登录、閃變和尖脈沖減小。


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