- 探究新穎的Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器
- 利用電路非線性元器件對電路中的電壓和電流進(jìn)行調(diào)整
- 采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋控制方案
1 引 言
由于我國交流電網(wǎng)的電壓波動(dòng)較大，特別是邊遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，交流穩(wěn)壓電源已成為許多電子設(shè)備不可缺少的供電裝置[1]。按照工作原理，交流穩(wěn)壓電源可分為參 數(shù)調(diào)整（諧振）型[2]、自耦（變比）調(diào)整型[3]、大功率補(bǔ)償型[4、5]和開關(guān)型[6、7]等四種類型，其典型電路如圖1所示。
參數(shù)調(diào)整（諧振）型交流穩(wěn)壓電源，是利用電路非線性元器件對電路中的電壓和電流進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓電源具有電路簡單、穩(wěn)定 精度高、抗干擾性強(qiáng)和輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感、輸入功率因數(shù)很低、輸出容量難以做大、無電氣隔離等 缺陷。
自耦（變比）調(diào)整型交流穩(wěn)壓器，是以自耦變壓（調(diào)壓）器為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能的。該類交流穩(wěn)壓器具有電路簡單、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但存在輸出波形THD高、穩(wěn)壓精度較低、體積重量大等缺陷。
大功率補(bǔ)償型交流穩(wěn)壓電源，是把線性變壓器串聯(lián)在輸入端和輸出端的主電路中，控制該變壓器初級(jí)電壓的大小和極性，利用其次級(jí)電壓對輸入電壓進(jìn)行補(bǔ)償，從 而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓器具有輸出容量大、對電網(wǎng)適應(yīng)能力好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在輸出波形THD高、輸出與輸入無電氣隔離、動(dòng)態(tài)性能差等缺 陷。
開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源，將輸入電網(wǎng)電壓整流后得到脈動(dòng)直流電壓，然后通過高頻PWM技術(shù)逆變?yōu)榻涣麟妷海俳?jīng)過相位跟蹤和轉(zhuǎn)換電路后獲得與輸入側(cè)同頻同相 的補(bǔ)償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源，具有穩(wěn)壓性能好、控制功能強(qiáng)、電路偏復(fù)雜、價(jià)格較高等特點(diǎn)。
2 新穎的Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器的電路拓?fù)?/strong>
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)[8]，由輸入周波變換器、高頻儲(chǔ)能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成，能夠?qū)?一種不穩(wěn)定的劣質(zhì)交流電變換成另一種同頻穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓?fù)浜啙崱杉?jí)功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功 率流、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、功率密度高、變換效率高、負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)、音頻噪音低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。其單四象限功率開關(guān)式電路拓?fù)洌鐖D2所示。
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當(dāng)電網(wǎng)向負(fù)載傳遞功率時(shí)，輸入周波變換器將不穩(wěn)定的、劣質(zhì)的低頻交流電壓調(diào)制成高頻脈動(dòng)電流，輸出周波變換器將高頻脈動(dòng)電流解調(diào)，通過輸出濾波電容濾波 后得到優(yōu)質(zhì)的、穩(wěn)定的低頻交流電壓；當(dāng)負(fù)載向電網(wǎng)回饋能量時(shí)，輸出周波變換器工作在調(diào)制狀態(tài)，輸入周波變換器工作在解調(diào)狀態(tài)。
3 控制方案
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器，采用具有輸入電壓極性和工作模式選擇的電壓瞬時(shí)值反饋控制方案，其感性負(fù)載時(shí)的原理波形如圖3所示。圖中 iL21為高頻儲(chǔ)能式變壓器的副邊電感電流iL2的基波分量。通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，即可實(shí)現(xiàn)正弦交流穩(wěn)壓器輸出電壓的穩(wěn)定。輸出濾波電容與負(fù)載的 并聯(lián)阻抗等效為感性、容性、阻性時(shí)，正弦交流穩(wěn)壓器的工作模式順序分別為A-B-C-D、D-C-B-A、A-C。
4 原理試驗(yàn)
設(shè)計(jì)實(shí)例：單四象限功率開關(guān)式電路拓?fù)洌敵鲭妷核矔r(shí)值反饋控制方案，DCM工作模式，額定容量S=500VA，輸入電壓220V±10% （50Hz），輸出電壓220V（50Hz），開關(guān)頻率Fs=50kHz，負(fù)載功率因數(shù)cosФL=－0.75~+0.75，高頻儲(chǔ)能式變壓器 L1/L2=120μH/120μH，最大占空比Dmax=0.5，輸入濾波電感L=10μH，輸入濾波電容C=50μF，輸出濾波電容Cf=10μF。
不同輸入電壓和負(fù)載時(shí)，500VA 220V±10%50Hz/220V50Hz Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器的原理試驗(yàn)波形，如圖4所示。原理試驗(yàn)結(jié)果表明：Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器工作時(shí)存在四種DCM模式 A、B、C、D；輸出電壓波形THD含量低；負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)；穩(wěn)壓性能好。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。
5 結(jié) 論
新穎的Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器的電路結(jié)構(gòu)，由輸入周波變換器、高頻儲(chǔ)能式變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成，能夠?qū)⒁环N不 穩(wěn)定的劣質(zhì)交流電變換成另一種同頻、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓?fù)浜啙崱杉?jí)功率變換（LFAC/HFAC/LFAC）、雙向功率 流、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、功率密度高、變換效率高、音頻噪音低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。采用輸出電壓瞬時(shí)值反饋控制方案，Buck-Boost型正弦交流穩(wěn)壓器具有 強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)能力、優(yōu)良的穩(wěn)壓性能和高質(zhì)量的輸出正弦波形等優(yōu)點(diǎn)。原理試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。
