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关于交流稳压器
交流稳压器工作原理
一.稳压器的分类
按调压方式不同分类可分为三类
电子感应式油式稳压器
干式接触式调压稳压器(直接调压稳压器和补偿式调压稳压器)
干式无触点调压式稳压器(一般是带补偿的稳压器)
二.稳压器的分类:
按电源使用环境不同分类可分为两类
单相交流稳压器
三相交流稳压器
三.以干式接触式调压稳压器为例分析稳压器工作原理:
单相交流稳压器原理分析
1.单相SVC直接调压稳压器原理分析
A点为单相稳压器输入侧,B点为单相稳压器的输出侧.
其实这一类用调压器直接调压式的稳压器就是利用自耦变压器的原理做成的.图中AN侧就是自耦变压器的输入侧,BN侧就是自耦变压器的输出侧,如果输入电压高于输出设置点220V时,这个自耦变压器就工作在降压状态,如果输入电压低于220V时,这个自耦变压器就工作在升压状态.(图中所示就是处在降压状态)
这种稳压器不同于自耦变压器的主要是输入点A是可以由0V到250V之间任意滑动.这样就可以随时调整输入电压的输入点来满足输出电压的恒定.一般我们把输入侧A点叫做滑臂,它由电机通过减速装置来驱动,电机的转向由稳压控制电路来控制完成.
稳压器的取样电路时刻监视稳压器的输出两点间电压,输出电压升高时,控制电机朝自耦变压器降压的方向移动,(如图二)当输出电压达到所要的电压时,停止控制电机运动.反之控制电路则控制电机朝自耦变压器升压的方向转动.(图三)达到所要的电压时停止.
此类稳压器的容量大小全部由这个输出电压可以变压器的自耦变压器来承担,但由于它制造工艺的影响,它不能做得很大,只能适应小功率的场合.要相把稳压器的功率做得更大,就要加入补偿变压器来实现稳压器的功率扩大
2.单相补偿式稳压器原理分析(图四)
上图为带补偿式单相交流稳压器原理图.主要由调压变压器T1和补偿变压器T2组成.从图中可以看出,补偿变压器的低压侧线圈串联在稳压器的主回路中,那么,这种稳压器输出的主要能量是通过补偿变压器的低压侧线圈直接加给输出负载的.只要把补偿变压器的二次线圈的线径作得足够大,稳压器的功率就可以做得很大.调压变压器T1只要负担输入电压与输出电压的差额部分,按稳压器可允许的输入变化范围的大小不等,调压变压器T1的功率大小往往是稳压器实际容量的几分之一,这由稳压器的配比这个参数来决定调压变压器的大小.
下面我们分析它的工作原理:
调压变压器主要担任提供补偿电压,这个补偿电压的大小和方向根据调压变压器的滑臂的移动都是可以改变的,这就可以在补偿变压器的低压侧得到大小和方向都可以改变的补偿电压,这个电压会和输入端提供的电压进行矢量叠加.使输出电压稳定在所需要的设置点上.
举个实例来说明:
输入电压U1=240V,要求输出电压稳定在UO=220V.那么就有下面等式关系:
UO=U1-△U
也就是△U的方向要与U1的方向相反,大小刚好为20V.
输入电压U1=200V,要求输出电压稳定在UO=220V.那么就有下面等式关系:
UO=U1+△U
也就是△U的方向要与U1的方向相同,大小刚好为20V.
从上面公式可以看出,补偿电压△U是由调压变压器通过输给补偿变压器的高压侧再通过铁芯感应给补偿变压器的低压侧,再与输入电压进行矢量的叠加.补偿变压器主要负责补偿电压的传递,而调压变压器则负责提供方向和大小都可以改变的补偿电压.
下面我们分析调压变压器怎样改变补偿电压的方向和大小的:
从图五中可以看出,调压变压器的C.D点是跨接在220V电压上的.而E点刚好是调压变压器的中心点.我们假定滑臂停在C点.那么加在补偿变压器的高压侧的电压为F点高于G点,电流由F点流向G点.
当滑臂停在D点时,(如图六)加在补偿变压器高压侧的电压为G点高于F点,电流由G点流向F点.这样一来,加给补偿变压器的补偿电压就改变了方向.
那么调压变压器怎样改补偿电压的大小呢,当然也是通过滑臂的移动来实现的.当滑臂离调压变压器的中心点E时,在补偿变压器的高压侧F点和G点得到的电压就越高,反之就越低.当稳压器的输入电压刚好为220V时,滑臂移到E点时,F点和G点间的补偿电压就为0.补偿变压器的低侧既不相加也不相减.输出电压就是输入电压大小.
四.三相稳压器工作原理:
三相稳压器实际就是把三个稳压单元用”Y”形接法联接在一起.再用控制电路板和电机驱动系统来控制调压变压器,达到稳定输出电压的功能.如果三个调压变压器的滑臂都是由一个电机来驱动的调压方式为统调稳压器.如果三个调压变压器的滑臂由三个电机来独立调整的稳压器就是三相分调式稳压器.它们的工作原理同单相的稳压器完全相同.
五.调压器怎样保证连续输出
调压器在调压过程中,就是通过移动碳刷改变接触的线圈匝数来实现的.那么,调整中要求始终保持与线圈接触.否则就会出现断电的现象.
调压器怎样保持连续输出呢?
1.碳刷必须保证一定的厚度.
2.在碳刷还没有完全移开已经接触的那一匝线圈时,碳刷又已经接触了线圈的另一匝.
3.移动中必须跨接两匝(至少两匝)
4.调压器工作中始终存在匝间短路现象,碳刷的厚度越厚,短路的匝数就越多.所以,调压器碳刷的厚度是根据调压器线径不同而不同的.
5.因为匝间短路是有害无益的,它会造成短路环流,所以要控制它的大小,因此调压器的匝电压一般都在1V以下,常见的大功率调压器匝电压为0.8-0.9V,小功率则更小,一般为0.4-0.7V不等.如果匝电压过高,调压器的稳定性就越差,极易烧毁.
关于交流稳压器
交流稳压器通常是利用铁磁非线性特性构成,属于铁磁稳压器,它是由铁磁饱和元件再加谐振电容构成的稳压器。
一、铁磁饱和现象
一个线圈通过电流时,线圈中便有磁场产生,描述这个磁场有两个物理量,一个是磁场强度,用H来表示,它与线圈的圈数和流过线圈的电流强度的乘积(又称安匝数)有关;另一个是磁感应强度(又称磁通密度),用B来表示,B的大少除与安匝数有关外,还与线圈中的介质有关。
如果介质是空气,那么H和B数值相等,如果介质是铁磁材料时,同一线圈流过同样的电流(H相同)的条件下,在有铁磁材料的导磁率用U来表示。
在铁磁材料中,U不是固定的常数,B和H之间不是线性关系,如图1所示,在图中可见,曲线的A点附近曲线开始弯曲,再往上,B值的变化越来越平缓,H变化而B值变化很少的现象我们就称为磁饱和现象。
在讨论稳压电源时,我们关心的是电压电流的变化,在磁饱和铁芯线圈讨论中,我们可以认为线圈中H与流过线圈的电流I成正比;线圈中的B与线圈的感生电压即线圈两端的电压V成正比。
图2是一个铁磁介质线圈的伏安特性图,从图中可见,曲线有一段电压变化很少,动态电阻©V/©I比V/I少(这是稳压管的概念,磁饱和线圈不常用“动态电阻”的提法)。
这就是饱和区段。
图3是一个简单的磁饱和稳压电路,L1是非饱和电感,L2是饱和电感。
如果输入电压Vi发生变化,那么L1和L2的电流都将变化,但由于L2在饱和状态,所以L2上的电流变化时其两端的电压变化很少,大部分电压变化都落在L1上,从而保持了L2上电压,即输出电压V0的相对稳定。
当负载发生变化时,其结果也一样,这种简单型的磁饱和稳压器存在两个问题:
一是稳压性能差,主要原因是B-H曲线的饱和部分不够徒。
二是功耗大,因为要使L2进入饱和状态所消耗的功耗过大。
图4是一个实用型的磁饱和交流稳压器,铁芯面积较大的一边是非饱和区,铁芯面积较少的一边是饱和区,L3称为电压补偿绕组,从上面我们知道,简单型的交流稳压器的缺点是输入电压变化会引起输出电压较大的变化,为此,改进方法是将非饱和区的一部分电压与输出电压V0反向串接,将变化部分相抵消。
L3和L1绕在同一不饱和铁芯上,成为线性变压器,L3与L2串联,但电压方向相反,从而补偿了输出电压V0的变化,使V0更稳定。
要使铁芯进入饱和状态,L1将要流入较大的磁励电流,由于L1是一个感性负载,所以消耗在负载上的功率不是I和电网电压V的乘积VI,而是UICOSa(COSa称为功率因数),因此流过L1的总电流将比较大,即功耗过大,稳压器的效率只有50%左右,为此我们可通过并联铁磁谐振的方法加以克服。
我们知道电感上电流比电压相位滞后90度,电容上电流比电压相位超前90度,如果电感和电容并联,加上同一电压,电感上的电流IL和电容上的电流IC将相互抵消,因此,当IL和IC的大少接近相等时,尽管IL和IC的数值很大,但供给这个并联回路的总电流却很少,这种现象称为并联谐振。
这种铁磁谐振的实用价值在于不用很大的输入电流就能使电感饱和,从而克服了稳压电路从电网吸取电流过大的缺点。
稳压器原理特点:
能有效的去除或改善国内生产的可控硅稳压器效率低、可控硅上有环流、产生附加谐波及电磁干扰严重等弊端。
它集合了微机测控、可控硅无触点开关和变压器技术于一体,具有噪声小、容量大、体积小、精度高、响应快、稳压范围宽、重量轻、可靠性好、无波形畸变等特点
双向可控硅交流稳压器电路
双向可控硅交流稳压器电路
如图是一个由双向可控硅组成的交流稳压器电路。
与单向可控硅稳压器相比较,其线路简单,性能可靠。
当电网电压小于220V时,双向可控硅SCR2控制极上的电压也随电网电压减小而降低,致使VD2导通角小,C1端电压上升,从而使双向可控硅SCRl控制极电压升高,使输出电压上升。
反之,输出电压下降,达到稳压。
开关互补式交流稳压器的原理分析
1.引言
近年来,在国内电源学术界,交流稳压器的研究内容主要分为两类,一类是开关互补式,另一类就是逆变补偿式。
开关互补式交流稳压器就是以自耦变压器----继电器抽头式稳压器为基础,将电力电子开关与传统的继电器触点相结合,为电能的传递增加一个预设的电子通路,以便减少电流切换时产生的冲击和干扰,因为这种冲击往往会损坏机械开关、电子器件,甚至用电设备;逆变补偿式交流稳压器,是以补偿型交流稳压器为基础,从输入侧取得交流电压,经过整流、高频SPWM逆变、相位跟踪和转换产生幅值、相位、频率均可变的交流补偿电压进行稳压,补偿是无极的,补偿精度高,响应速度快。
目前,这两类稳压器的技术都不是很成熟,还没有人对此进行系统的阐述、分析和具体的设计。
本文针对开关互补式交流稳压器,提出它的原理和设计方法,并按此方法研制出一台10KVA的开关互补式交流稳压器,以期达到跟踪前沿技术,为进一步开发系列开关互补式交流稳压器做好准备。
2开关互补式交流稳压电源工作原理
2.1整机组成
本稳压器由补偿变压器组合单元、继电器单元、开关互补电路、控制电路、过欠压以及过流保护及故障告警电路、辅助电源等部分组成,整机框图如下:
2.1.1稳压部分的设计
稳压部分可采用的形式有参数调整(谐振)型、自耦(变比)调整型、大功率补偿型、开关型。
在这里,我们采用的是大功率补偿型作为稳压部分的主电路,利用继电器改变自耦变压器抽头的方法,来给补偿变压器提供初级电压。
其中,互补开关组合阵列采用的是继电器并联式接法。
2.1.2开关互补电路的设计
关互补电路实际上是继电器的一个旁通电子开关,采用两只IGBT、两只二极管构成的交流通路,是互补式交流稳压器的主要技术点,电路如图3:
图3
互补电路中IGBT承受的电压、电流应力都较大,对IGBT的安全构成极大的影响。
而互补电路工作成败之关键,主要取决于IGBT能否安全工作,为了改善IGBT的开关状况和安全工作区域,适应互补式交流稳压器所要求的负载特性,在设计时应注意以下几个问题:
1、通过合理的布线,尽量减小引线电感,以减小IGBT的关断振荡和损耗;
2、每一组互补电路要用专用的辅助电源驱动(典型值是+15V,-5V),既防止因共地而引起的干扰,最主要的是防止了因PN结导通而引起的短路;
3、IGBT的栅极驱动采用电压跟随器的设计方式,同时增加RCD吸收电路,精选其电容、电阻参量,从而有效抑制了脉冲结束时IGBT的反向电压;
4、对IGBT的额定电压、电流参数,选取时除按理论计算外,还要考虑适当的经验系数,使IGBT具有更大的安全工作区域;
5、虽然IGBT的导通时间极短,在正常工作时,热量在还没有传出壳外时,IGBT就已关断,但仍须加一定功率的散热器,目的是使IGBT工作时,其管芯温度在允许结温以下,从而确保IGBT不会因控制电路设计不当造成的损坏。
2.1.3功率补偿单元
该补偿单元由继电器及其相应的开关互补电路组成,采用并联的方式连接而成。
具体电路如图4-1:
图4-1
图4-2
图4-2为功率补尝单元中的继电器与其对应的开关互补电路的工作波形和工作时序关系,从中我们可以知道,开关互补电路是在继电器动作之前先导通,在继电器完成动作后再关断,这是开关互补式交流稳压电源成功的关键所在。
2.2功率补偿单元的工作原理
为方便阐述,我们把功率补偿单元拆分为继电器J0、J1、J2、J3、J4、J5及其对应的开关互补电路S0、S1、S2、S3、S4、S5。
考虑到电网变化的随机和无序性,设计时采用顶层设计、整体考虑的方法,来确定功率补偿单元的工作时序。
值得特别强调的是,开关互补电路须采取先开后关的方式工作,即在继电器动作(包括吸合和断开)之前,先让开关互补电路工作,待继电器工作稳定后,再断开关互补电路,这是控制的关键所在,否则开关补式交流稳压器将失去意义。
为及时判断继电器的切换状态,特设计了双光耦补偿型电路,实现信号的锁定,以便于单片机的正确判定。
表1给出了功率补偿单元在不同输入电压值时的工作时序。
表1
2.3软件的设计
在系统中,单片机担负着对输入电压的实时检测和处理,控制功率补偿单元的工作,对整机提供各种保护、告警和状态指示。
系统接通市电,合上电源开关后,单片机进行初始化,延时2秒后,进行输入电压检测,若输入电压在允许范围内,则根据电压值进行相应的电压补偿,否则补偿电路不进行任何动作,但要相应的声光告警;电压调整完毕达到输出标准后,自动合上输出交流接触器,系统正常输出。
此时,单片机对输出电压进行过压检测,一旦输出电压过高,则切断输出,以防输出电压过高而影响负载工作,在电压恢复正常后,自动合闸,输出电压。
单片机还对输入电压进行实时检测,只要市电发生变化,就进入相应的电压补偿子程序,对补偿电压进行调整。
其流程图见图5。
图5
3实作结果
当输入交流电压幅值发生相同的变化时,比较图6所示的两种稳压器输出电压波形可发现,有互补电路与没加互补电路的电源输出电压波形,存在很大的差异:
在A图中,没有互补电路的电源输出电压波形,有一明显缺口,这是输出电压波形失真度大、整机电磁干扰强、不能提高功率因数的根本原因所在;而在B图中,这一缺点得到明显的改善,输出电压波形变得平滑,体现出了互补式交流稳压电源的优点。
A无关互补电源输出电压波形
B互补电路电源输出电压波形
图6
其达到的主要技术指标如下:
1)交流输入电压 220V-30%~220V+20%、50Hz(单相)
2)额定输入电流 45A
3)额定输出功率 10KVA
4)额定输出电压 220V±5%、50Hz
5)响应时间 ≤50ms
6)正弦波失真度 ≤1.0%
7)整机效率 ≥98%
8)功率因数 >0.95
4结束语
本电源的研制成功,是在现代电力电子技术与电力传动技术相结合的基础上,利用微处理器进行智能控制和监控管理,研制开发的一种新型高性能价格比的交流稳压器,具有智能化、轻量化、高可靠性的特点。
实践证明,开关互补式交流稳压器的以上优点以及它的低成本、高质量的供电效果,必将使该种稳压器具有广阔的应用前景。
PWM逆变器式交流稳压电源的原理分析
2009-08-1310:
46:
49 作者:
来源:
机电商情网
关键字:
PWM逆变器交流稳压电源三相补偿
1引言
现有两种无触点补偿式交流稳压电源在取代三相柱式交流电力稳压器。
一种是变压器补偿式稳压器,其原理是用多个补偿变压器组合,通过“多全桥”变换电路,切换补偿变压器的初级头、尾连接方式进行补偿,去掉了机械传动和触点,提高了寿命和动态性能。
补偿是有级的,而且所需的补偿变压器和切换开关较多,电路相对复杂,补偿精度低。
另一种是PWM开关式交流稳压器,其原理是从输入侧取得工频交流电压,经过整流、正激高频PWM变换、相位跟踪和转换产生交流补偿电压进行补偿,补偿是无级的,补偿精度高,响应速度快。
但电路复杂,还需要一个固定的逆补偿变压器,不易实现大功率应用。
我曾介绍过的PWM斩波器式交流稳压电源很好地克服了上述缺点,是一种很有发展前途的交流稳压技术,但其存在着只能稳压,不能消除市电电压中谐波成分的缺点。
为了扩大交流稳压电源的功能,我们又开发研制了利用PWM高频逆变器进行补偿的多功能交流稳压电源,这种稳压电源具有用户电力综合调节器(CustomPower)的功能,使稳压电源的性能又上了一个台阶。
2采用PWM高频逆变器的补偿式交流稳压电源
图1采用逆变器补偿的交流稳压电路
采用PWM高频逆变器的补偿式交流稳压电源的原理电路如图1所示。
其中补偿电压uco由单相全桥逆变器产生(也可以采用半桥式或推挽式逆变器),逆变器采用高频SPWM调制。
单相全桥逆变器的输出电压uab通过输出变压器Tr,把电压uab变成补偿电压uco在Tr的次级输出。
Tr的次级串联在主电路中以对市电电压的变化进行补偿,保持输出电压uo稳定不变。
图中LF/CF为低通滤波器,以滤掉逆变器输出电压uab中的高次谐波。
变压器Tr次级绕组的电阻和漏感以及市电电源内阻共同组成线路阻抗Z,则当负载变化时在Z上产生的压降会使输出电压随之变化。
ur为用正弦电压发生器和锁相环产生的标准参考电压,锁相环是使ur在相位上与市电电压us同步。
用瞬时值usZisur作为SPWM全桥逆变器控制电路中的调制电压,控制电路的原理框图如图2所示。
按此图的高频SPWM调制原理,当用(usZisur)作为正弦调制波时,就可以使逆变器的输出电压与市电电压的变化和负载电压的变化成比例。
图2控制电路原理框图
2.1逆变器输出电压的谐波分析
假定逆变器的直流电源电压为Ud,载波三角波的电压幅值为Uc,则调制比M的值为:
M=
(1)
式中:
Us、Is、Ur为市电电压us,市电电流is和基准参考电压ur的有效值。
载波比:
N=,fc为三角波频率,fs为市电电压频率。
SPWM波形如图3所示。
由此图可知,逆变器输出电压uab的双重付里叶级数表示为:
uab=ua-ub=MUdsinωt+cosmπ·sin〔(mN+n)ωt〕
(2)
因为变压器Tr的变比为ξ,故补偿电压uco的表示式为:
uco=ξMUdsinωt+ξ·cosmπ·sin〔(mN+n)ωt〕(3)
图3参差相位法获得三阶SPWM波
uco的频谱如图4所示,可知:
载波比N越大,谐波频率越高,滤波越容易,所需的LFCF的值越小,当fc=12.8kHz时,LF=10mH,CF=2μF,即可将uco中的高次谐波滤掉。
图4补偿电压uco的频谱和谐波分量与M的关系
2.2考虑线路阻抗Z的补偿分析
由于逆变器开关管的正向压降,开关死区、变压器Tr初级绕组的电阻及漏感和交流滤波电感LF的绕组电阻及电感的影响,会使补偿电压uco的值减小。
但这种影响不大,而且是基本固定的,与负载的大小变化关系不大,因此可以通过增大变压器Tr的变比ξ来补偿。
由图1考虑到线路阻抗Z时,在us>ur的情况下输出电压的方程式为:
uo=us-Z*is-uco(4)
假定市电电压中无谐波,市电输入功率因数cosφ=1,则:
us=Ussinωt,is=Issinωt,将方程式(3)uco的值以及us、is的值代入式(4)得:
uo=Ussinωt-ZIssinωt-ξMUdsinωt-cosmπ·sin〔(mN+n)ωt〕(5)
用电路中低通滤波器LFCF滤掉uco中的高次谐波时,则上式变为:
uo=Ussinωt-ZIssinωt-ξMUdsinωt(6)
将式
(1)的M值及ξ=代入式(6),则得:
uo=Ussinωt-ZIssinωt-(Us-ZIs-Ur)·sinωt=Ursinωt
图5所示SPWM高频逆变器式交流稳压电源有六种工作状态:
us>ur+Zis,此时uco=us-Z*is-ur,输出电压uo=us-(us-Z*is-ur)-Zis=ur
usus=ur,此时uco=-Z*is,输出电压uo=us-(-Z*is)-Z*is=ur
空载(is=0),us>ur,此时uco=us-ur,输出电压uo=us-(us-ur)=ur
空载(is=0),us=ur,此时uco=0,不补偿。
图5SPWM高频逆变器式交流稳压电源有六种工作状态
从以上分析可知:
当市电电压us或负载发生变化时,用瞬时值(us-ur-Z*is)作为正弦调制电压的SPWM高频逆变器的输出电压uco,完全可以补偿输出电压uo的变化,保持uo=ur不变。
2.3对市电电压中谐波的补偿
假定市电电压的数值不变,但却含有谐波Usnsinωt,即:
us=Us1sinωt+Usnsinnωt,us1=ur。
为了使推导简化,令is=0,则调制波电压为:
us-Zis-ur=us1sinωt+Usnsinnωt-Ursinωt=Usnsinnωt(7)调制比:
Mn=,则补偿电压为:
=ξMnUdsinnωt+ξ·
cosm″π·sin〔(m″N+n′)n′ωt〕(8)
将us、is、的值代入式(4),用低通滤波器滤去中的更高次的谐波,并将Mn=,ξ=代入中即得:
uo=Us1sinωt+Usnsinnωt-Usnsinnωt=Us1sinωt=Ursinωt(9)
由式(9)可知:
当市电电压us中含有谐波时用瞬时值(us-ur-Zis)作调制波的SPWM逆变器的输出电压uco即可以补偿掉us中的谐波,尤其是5次以下的低次谐波。
此外从物理上看,由于控制电路采用的是市电电压与纯正弦波参考基准电压ur的瞬时值进行比较,所得到的瞬时值之差作为调制波进行控制补偿的,当市电电压us是正弦波时,us>ur时是负补偿,即us-uco;us
2.4逆变器型式与参数
稳压电源中的逆变器,可以用全桥式、半桥式或推挽式,其补偿效果基本相同。
不用高频SPWM调制而改用线性Delta滞环PWM控制也可以达到相同的效果。
唯一应指出的一点是逆变器的直流电源电压一定要稳定,它对电压的补偿精度有直接影响。
变压器Tr的变比ξ=的值取决于市电电压的最大变化范围,市电电压的最大允许变化范围为±10%,实际有的地方可高达±20%,所以变比ξ一般取(20~25)%,相应补偿变压器Tr的容量应取稳压电源标称容量的(20~25)%。
3三相补偿式交流稳压电源
三相补偿式交流稳压电源的原理电路如图6所示,它由主电路、控制电路和检测电路三部分组成。
主电路又由并联部分、串联部分和直流部分的滤波储能电容Cd三部分组成。
并联部分是由低通滤波器和三相PWM开关整流器组成,开关整流器实际上就是一个三相电压型逆变器,它的主要作用是为串联部分的单相补偿逆变器提供整流直流电源,保持直流电容Cd上的电压恒定。
直流电容Cd起滤波和储能作用。
采用三相开关整流器的目的有两个,一是保持市电输入功率因数cosφ=1,并使输入电流的波形接近正弦,以减小对市电的污染;二是可以使电能双向流动,使逆变器负载中的无功能
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