PWM斬波器式交流穩壓電源的原理分析

表1 基波和各次諧波與調制比M的關(guān)系

2.2 主電路與斬波開(kāi)關(guān)的結構形式

主電路與PWM正弦斬波器開(kāi)關(guān)的結構形式如圖4所示，其中圖4（a）是用兩個(gè)PWM正弦斬波器開(kāi)關(guān)的主電路，當us>ur時(shí)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(shí)S1導通，Tr按升壓自耦變壓器方式工作，輸出電壓＋uco，以補足市電電壓中的不足部分。圖4（b）是用兩個(gè)PWM正弦斬波開(kāi)關(guān)和兩個(gè)雙向晶閘管（或固態(tài)繼電器）的主電路。這樣，變壓器Tr的次級只用一個(gè)繞組就可以了。當us>ur時(shí)開(kāi)關(guān)S2和S3導通，Tr工作在降壓自耦變壓器狀態(tài)，輸出電壓－uco，以抵消市電電壓中的高出部分；當usur時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S4導通，Tr工作在升壓自耦變壓器狀態(tài)，輸出電壓＋uco，以補足市電電壓的不足部分。圖4（c）是圖1使用的主電路。圖4（d）與圖4（b）相同，只是采用了一個(gè)PWM正弦斬波開(kāi)關(guān)和四個(gè)雙向晶閘管。PWM正弦斬波器開(kāi)關(guān)的結構型式有三種，如圖4（e）所示。圖4所示各種主電路及其PWM正弦斬波器開(kāi)關(guān)各有特點(diǎn)，設計者可根據自身條件和需要選擇使用。

(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(kāi)關(guān)型式

圖4 主電路與PWM斬波開(kāi)關(guān)型式

2.3 線(xiàn)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(guān)系曲線(xiàn)和電感，與市電電源的內阻抗共同組成線(xiàn)路阻抗Z。在有負載時(shí)線(xiàn)路阻抗Z產(chǎn)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(jìn)行補償，其補償電路如圖1中虛線(xiàn)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(gè)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(kāi)關(guān)管的正向壓降、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(gè)影響較固定且數值不大，因此可以通過(guò)調高變壓器Tr的變比ξ來(lái)補償。

2.4 考慮線(xiàn)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(xiàn)路阻抗Z時(shí)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(shí)，>Usm，由于ΔU=－ZIs－Ur，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″ur時(shí)，Usm″Usm，由于ΔU=UrUUs″+ZIs,M=ΔU/Uc=(Ur-Us″+ZIs)/Uc,ξ″=Uc/Usm″,代入式（11）得：

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(guò)程中有以下6種情況：

1)us增至>ur＋Zis時(shí)，uco=－Zis－ur，輸出電壓uo=－(－Zis－ur)－Zis=ur

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

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

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

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

6)空載(is=0)us=ur時(shí)，uco=0，不補償。

從以上分析可知：當市電電壓波動(dòng)（欠壓或過(guò)壓）或負載變化時(shí)，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。

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(jìn)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(shí)際上有的地方最大變化范圍可達±20％，所以變比ξ'取1.7/10，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(chēng)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。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(chēng)。

3 結語(yǔ)

按照圖1原理制成的一臺單相2.5kVA的穩壓電源，經(jīng)實(shí)驗證明：當輸入電壓變化范圍為±15％時(shí)，輸出電壓的變化小于±1％；諧波含量小于25％。這種穩壓電源的特點(diǎn)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(tài)，其伏安定額大，體積小、重量輕，反應速度快，可以實(shí)現無(wú)級補償、補償精度高，電路簡(jiǎn)單。當市電電壓正?；蚩蛰d時(shí)S3不工作（空載時(shí)與門(mén)關(guān)斷，S3不能觸發(fā)），補償變壓器不耗電，電源損耗小。其缺點(diǎn)是由于Tr工作在自耦變壓器狀態(tài)，初、次級之間有電的連接，故接地不方便。另一個(gè)缺點(diǎn)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。