PWM斩波器式交流稳压电源的原理分析
pwm斩波器式交流稳压电源的原理分析
摘要：叙述了pwm斩波器式交流稳压电源的基本工作原理与方法。
关键词：pwm；斩波器；交流稳压电源
principleanalysisofapwmchoppertypeacregulatedpowersupply
liu feng?jun abstract:the basic work principle and method of a pwm chopper type ac regulated power supply are described. keywords:pwm;chopper;acregulator
1 引言 目前使用较多的是三相柱式电力稳压器，它虽然有很多优点，但由于使用了机械传动和碳刷进行调节，因而具有工作寿命短、可靠性差、动态响应时间长等缺点，正在被无触点补偿式稳压电源所取代。“补偿”具有“补足”和“抵消”两种意思。所谓补偿式稳压电源，就是用多个补偿变压器（一般是2～4个），将其次级串入主电路中，通过由双向晶闸管或固态继电器（由光耦、触发电路和双向晶闸管组成的电路模块）组成的“多全桥”转换电路，用切换多个补偿变压器初级头、尾的连接方式，来调节补偿电压的大小或正负进行有级补偿。当市电电压高于标称电压时进行负补偿；低于标称电压时进行正补偿。由于去掉了机械传动和碳刷，因而提高了寿命、可靠性和动态响应速度，使稳压电源的性能得到了很大的改进。但仍然还存在一些缺点：如只能有级调节、调节精度不高（取决于补偿变压器的最小电压，调节精度一般为2％～5％），所用补偿变压器个数较多，因而补偿变压器的“多全桥”转换电路用的开关数也多，电路相对复杂等。本文取其优点，避其缺点，提出了用pwm高频斩波器进行补偿的交流稳压电源，使交流稳压器的性能得到了进一步的提高。 2 用pwm高频斩波器的补偿式交流稳压电源 这种稳压电源是采用pwm高频斩波器产生的补偿电压uco对市电电压的波动（欠压或过压）进行补偿，其原理电路如图1所示。图中s1和s2为采用双向晶闸管或固态继电器的交流开关，用切换变压器tr的两个初级绕组来控制补偿电压的方向，它的次级绕组串入主电路中，以对市电电压的波动进行补偿：当市电电压高于标称电压时s2导通，tr按降压自耦变压器方式工作，输出反向电压来抵消市电电压高出的部分；当市电电压低于标称电压时s1导通，tr按升压自耦变压器方式工作，输出正向电压来补足市电电压不足的部分。s3是pwm高频斩波器开关，用来调节补偿电压的大小，以实现无级精确补偿。由于s3工作在高频开关状态，因而采用了由两个igbt反并联组成的，而且带有零电流开通，零电压关断缓冲电路的交流开关，以减少开关损耗，提高斩波效率。 由市电电压us与基准电压ur相减的差值δu（直流电压）控制pwm调制器，在载波三角波电压小于δu的部分产生s3的正向触发脉冲控制s3斩波。这样，在补偿变压器tr的次级就可以产生出补偿电压uco。uco的大小等于us与ur有效值之差|us－ur|，uco的方向取决于us－ur等于正还是负来决定：当us－ur等于正值时s2导通，uco为负，当us－ur等于负值时s1导通，uco为正，以补偿市电电压达到标称值。图中lf、cf为交流滤波器，以滤掉补偿电压uco和市电电压us中的高次谐波。
图1 采用pwm高频斩波器的补偿式交流稳压源电路原理框图 斩波器开关s3采用的是等电位直流脉宽调制epwm（equipotential－pwm），epwm触发脉冲的形成与交流正弦电压的pwm斩波波形如图2所示。
图2 epwm调制与正弦pwm斩波波形 2.1 正弦斩波电压的谐波分析 正弦斩波电压的波形如图2所示，为了使波形具有半波奇对称，和1/4周期偶对称，以消除其傅里叶级数中的余弦项和正弦项中的偶次谐波，取载波比n=fc/fs=4k（式中fc为载波三角波频率，fs为市电工频频率），调制比m=δt/tδ=δu/uc（式中δt为触发脉冲宽度，tδ=1/fc为载波三角波周期，δu为等电位直流调制电压，δu=|us－ur|，uc为载波三角波电压幅值）。 载波三角波的方程式为： uc=(1) i=1,2,3… 当调制电平为δu时，求出触发脉冲起始点ti和终止点ti＋1的方程式为： ， （2） （3） 则脉冲宽度为： δt=ti＋1－ti=(tδ/uc)δu （4） 式中tδ=2π/n，则各触发脉冲的起始角和终止角的数值为： 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； …… 由图2可以看出：pwm正弦斩波波形是“镜对称”和“原点对称”，因此在它的傅里叶级数中将不包含恒定分量、余弦项和正弦项中的偶次谐波，只包含正弦项中的奇次谐波，故： f(ωt)=bnsinnωt，n为奇数（5） 式中：bn=f(ωt)sinnωtd(ωt) 对于基波，n=1，由于pwm正弦斩波波形是正弦的，即f(ωt)=usmsinωt，所以： b1=(sin2xdx＋sin2xdx＋…） =sin2xdx =（m·）=musm (6) 对于谐波 bn=(sinxsinnxdx＋sinxsinnxdx＋…） 当n=kn±1，k=1,2,3…时： bkn±1=sinxsinnxdx =－sinkmπ (7) 当n≠kn±1时： bn≠kn±1=sinxsinnxdx=0 所以，当补偿变压器的变比为ξ时，pwm正弦斩波电压uch的傅里叶级数表示式为： uch=musmsinωt－sinkmπsin(kn±1)ωt (8) 补偿电压uco的方程式为： uco=ξmusmsinωt－ξsinkmπsin(kn±1)ωt(9) 由式（8）中的谐波幅值sinkmπ可以算出，当fc=10khz，n=200，m=0.1～0.9时，基波与各次谐波的幅值如表1所示。基波和各次谐波与调制比m的关系曲线如图3所示。可知，pwm正弦斩波电压的谐波频率与载波比n成正比，n越大谐波频率越高，所需的交流滤波器lfcf的参数越小，当n大到一定程度时，甚至只用tr漏感及一个很小的电容cf就可以滤掉所有uco中的高次谐波。 表1 基波和各次谐波与调制比m的关系 谐波分量 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 主电路与斩波开关的结构形式 主电路与pwm正弦斩波器开关的结构形式如图4所示，其中图4（a）是用两个pwm正弦斩波器开关的主电路，当us>ur时s2导通，tr按降压自耦变压器方式工作，输出电压－uco，以抵消市电电压中的高出部分；当usur时开关s2和s3导通，tr工作在降压自耦变压器状态，输出电压－uco，以抵消市电电压中的高出部分；当usur时，>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) 当us降至us″
6)空载(is=0)us=ur时，uco=0，不补偿。
从以上分析可知：当市电电压波动（欠压或过压）或负载变化时，用以直流表示的us、ur，is的有效值（us－zis－ur）=δu或（ur－us＋zis）=δu作调制电压的epwm正弦斩波器的输出电压uco，完全可以补偿输出电压uo的变化，保持uo=ur不变，达到稳压目的。
但由于采用的是直流电平epwm控制，故不能检测出波形畸变，因此这种稳压电源不能对市电电压中的谐波、闪变和尖脉冲等进行补偿，但可以依靠交流滤波器滤掉一些。
补偿变压器tr的变比ξ=uc/usm的大小取决于市电电压的最大变化范围。市电电压的最大变化范围一般为±10％。但实际上有的地方最大变化范围可达±20％，所以变比ξ'取1.7/10，ξ″取2.5/10，相对应的补偿变压器容量也应取稳压电源标称容量的25％。
用epwm高频斩波器的原理，同样可以制成三相补偿式交流稳压电源，只要用三组如图1所示的电路即可。这样的三相补偿式交流稳压电源，还可以补偿掉三相电压的不对称。
3 结语
按照图1原理制成的一台单相2.5kva的稳压电源，经实验证明：当输入电压变化范围为±15％时，输出电压的变化小于±1％；谐波含量小于2?5％。这种稳压电源的特点是：补偿变压器工作在变比ξ″=2.5/10，ξ'=1.7/10的自耦变压器状态，其伏安定额大，体积小、重量轻，反应速度快，可以实现无级补偿、补偿精度高，电路简单。当市电电压正常或空载时s3不工作（空载时与门关断，s3不能触发），补偿变压器不耗电，电源损耗小。其缺点是由于tr工作在自耦变压器状态，初、次级之间有电的连接，故接地不方便。另一个缺点是由于采用了直流有效值控制，故只能补偿市电电压的大小变化，不能补偿市电电压中的谐波、闪变和尖脉冲，但交流滤波器可以使谐波、闪变和尖脉冲减小。
参考文献
[1] p.d.parikh,s.r.paradla.equal?pulsewidthmodulation
controlstrategyforaactodcconverter.intj.electronic1983,55(3).
[2] 张伯立.用pwm技术和gtr的低谐波交流稳压技术.《十届电源学会文集》.
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图1 采用pwm高频斩波器的补偿式交流稳压源电路原理框图 斩波器开关s3采用的是等电位直流脉宽调制epwm（equipotential－pwm），epwm触发脉冲的形成与交流正弦电压的pwm斩波波形如图2所示。
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