用瞬時(shí)比較法研制交流穩(wěn)壓電源

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(lái)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(guò)比較處理和使用伺服電機(jī)或無(wú)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(wèn)題：

（1）使用非線性電抗器往往帶來(lái)諧波，對(duì)電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量沒(méi)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(guò)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(guò)長(zhǎng)且對(duì)電壓波形沒(méi)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(lái)不及反應(yīng)和執(zhí)行，造成干擾穿過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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。