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0 引言
交流穩(wěn)壓技術(shù)的發(fā)展一直倍受廣大用戶和生產(chǎn)廠商的關(guān)注，其原因在于我國(guó)市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種交流電力穩(wěn)壓產(chǎn)品，在技術(shù)性能上都有不盡人意之處。
在我國(guó)應(yīng)用較早，且用戶最廣的交流電力穩(wěn)壓電源當(dāng)屬柱式（或盤式）交流穩(wěn)壓器，雖然這種穩(wěn)壓電源有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于它是用機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)碳刷（或滾輪）以調(diào)節(jié)自耦變壓器抽頭位置的方法進(jìn)行穩(wěn)壓，所以存在工作壽命短，可靠性差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等難以克服的缺陷。
近年來不少生產(chǎn)廠家針對(duì)柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點(diǎn)，紛紛推出無觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢(shì)。這種電源實(shí)質(zhì)上仍然是采用自耦方式進(jìn)行調(diào)壓，所不同的只是通過控制若干個(gè)晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個(gè)固定抽頭的組合方式，來代替通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調(diào)壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但卻失去了一個(gè)重要的調(diào)節(jié)特性??平滑性，即調(diào)節(jié)是有級(jí)的，其必然結(jié)果是穩(wěn)壓精度低（一般只有3％～5％），并且在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)會(huì)沖擊電網(wǎng)并產(chǎn)生低頻次諧波分量，對(duì)負(fù)載也會(huì)產(chǎn)生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺(tái)，即一臺(tái)自耦變壓器，一臺(tái)補(bǔ)償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。
伴隨著全控開關(guān)器件的容量和性能以及模塊化程度的提高，集成控制電路功能的不斷完善，吉林市長(zhǎng)城科技有限責(zé)任公司憑借自己的科技實(shí)力，率先研制出采用PWM技術(shù)，通過全控開關(guān)器件IGBT，對(duì)交流進(jìn)行斬波控制的新型補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源??JJY－ZK/BW系列斬控補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源。為我國(guó)交流穩(wěn)壓技術(shù)的創(chuàng)新和滿足市場(chǎng)對(duì)高性能交流穩(wěn)壓電源的需求開創(chuàng)了新局面，下面對(duì)PWM交流斬控技術(shù)在該種交流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用原理及性能做一簡(jiǎn)要介紹。
1 PWM交流斬控調(diào)壓原理
圖1（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開關(guān)S1為斬波開關(guān)，S2為考慮負(fù)載電感續(xù)流的開關(guān)，二者均為全控開關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的單相開關(guān)[見圖1（b）]。S1及S2不允許同時(shí)導(dǎo)通，通常二者在開關(guān)時(shí)序上互補(bǔ)。定義輸入電源電壓u的周期T與開關(guān)周期Ts之比為電路工作載波比Kc，（Kc=T/Ts）。圖1（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓波形。顯然輸出電壓uo為：
uo=E(t)u=
（1）
式中：E（t）為開關(guān)函數(shù)，其波形示于圖1（c），函數(shù)由式（2）定義。
（c）工作波形
（b）單相全控開關(guān)等值電路
（a）主電路拓?fù)?/span>
圖1 PWM單相交流斬控調(diào)壓原理
E(t)=
（2）
在圖1（a）電路條件下，則
uo=E（t）
Usinωt（3）
E（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)展開，可得
E(t)=D＋
cos(nωst－θn)（4）
式中：D=
，ωs=
，θn=
；
D為S1的占空比；
ton1為一個(gè)開關(guān)周期中S1的導(dǎo)通時(shí)間。
將式（4）代入式（3）可得
uo=D
Usinωt＋
{sin[(nωs＋ω)t－θn]－sin[(nωs－ω)t－θn]}（5）
式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)±ω處分布，開關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠(yuǎn)，越容易濾掉。
在經(jīng)LC濾波后，則有
Uo=D
U（6）
把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之比定義為調(diào)壓電壓增益，即
Av=
=D（7）
由此可見電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達(dá)到調(diào)壓的目的。
2 控制方案設(shè)計(jì)與工作原理
一般情況下，PWM交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。
若采用互補(bǔ)控制，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)在換流過程中會(huì)出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時(shí)間，又可能造成換相死區(qū)時(shí)間內(nèi)二個(gè)開關(guān)都不導(dǎo)通使負(fù)載開路，在有電感存在的情況下，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測(cè)的非互補(bǔ)控制方式，如圖2所示。對(duì)相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個(gè)單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。
圖2 PWM斬控補(bǔ)償式穩(wěn)壓電源主電路結(jié)構(gòu)
由圖2可見，V1，VD1與V2，VD2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，Vf1，VDf2與Vf2，VDf1構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)；Lof及Cof分別為濾波電感、電容；u1為補(bǔ)償變壓器初級(jí)繞組兩端電壓，u2為向主電路補(bǔ)償?shù)碾妷骸１痉桨覆捎昧擞须妷骸㈦娏飨辔粰z測(cè)的非互補(bǔ)控制方式。圖3為在RL負(fù)載下，這種非互補(bǔ)的斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序配合及一個(gè)電源周期中輸出電壓的理想波形。
圖3 帶電流檢測(cè)的非互補(bǔ)控制時(shí)序
由圖3可見根據(jù)負(fù)載電壓電流相位，一個(gè)電源工作周期可分為4個(gè)區(qū)間，一周期內(nèi)各開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)狀態(tài)如表1所列。
表1 IGBT門極驅(qū)動(dòng)狀態(tài)表
| 電壓電流極性 | 開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)狀態(tài) |
|---|
| uo | io1 | V1 | V2 | VF1 | VF2 |
|---|
區(qū)間Ⅰ | ＋ | － | 0 | 1 | 1 | uG |
|---|
區(qū)間Ⅱ | ＋ | ＋ | uG | 1 | 1 | 0 |
|---|
區(qū)間Ⅲ | － | ＋ | 1 | 0 | uG | 1 |
|---|
區(qū)間Ⅳ | － | － | 1 | uG | 0 | 1 |
|---|
表中“1” 在該區(qū)間內(nèi)柵極施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)
“0” 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)封鎖
uG 斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)柵極PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)
上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達(dá)式表示為：
為保證電源滿足負(fù)載特性的要求及運(yùn)行可靠性,本方案采用了圖4所示的控制電路結(jié)構(gòu)。
圖4 穩(wěn)壓電源控制電路結(jié)構(gòu)
3 補(bǔ)償穩(wěn)壓原理及控制
圖5示出補(bǔ)償穩(wěn)壓電路。
圖5 補(bǔ)償穩(wěn)壓原理圖
圖5中電網(wǎng)電壓u，補(bǔ)償電壓uc，輸出電壓uo均為工頻。當(dāng)u與uc相位差φ=0°時(shí)，uo=u＋uc；當(dāng)φ=180°時(shí)，uo=u－uc。因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓u變化時(shí)調(diào)節(jié)uc的大小以及與u的相對(duì)極性即可保證uo的恒定。
u與uc相對(duì)極性變換的控制如圖6所示。其輸出uQ接雙向晶閘管的過零觸發(fā)電路。采樣信號(hào)取自uo經(jīng)整流濾波后的輸出。電位器Rp用于調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的門檻電壓，其傳輸特性如圖6（b）所示。
(a)相對(duì)極性變換控制電路
(b)傳輸特性
圖6 ui與uc相對(duì)極性變換控制電路
4 結(jié)語
PWM交流斬控技術(shù)用于交流穩(wěn)壓，顯著地提高了交流穩(wěn)壓電源的技術(shù)性能，其主要特點(diǎn)是：
1）可采用全固態(tài)器件，真正做到了無觸點(diǎn)、無抽頭，因而可靠性高、工作壽命長(zhǎng)；
2）平滑調(diào)節(jié)，輸出無級(jí)差，對(duì)電網(wǎng)及用戶無沖擊，不產(chǎn)生低頻次諧波干擾；
3）輸出精度高，實(shí)際精度可達(dá)到±0.5％，即便在正補(bǔ)償與負(fù)補(bǔ)償變換瞬間，輸出電壓波動(dòng)也不超過額定電壓的1％；
4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可達(dá)ms級(jí)；
5）負(fù)載無選擇性，對(duì)感性負(fù)載、阻性負(fù)載、容性負(fù)載都適用；
6）每相只需一臺(tái)變壓器，因而重量輕，自身功耗少。
