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新型EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源的原理分析

作者: 時(shí)間:2011-03-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

0 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/179359.htm

隨著高新技術(shù)的發(fā)展,越來(lái)越多的高精密負(fù)載對(duì)輸入電源,特別是對(duì)輸入電源的穩(wěn)壓精度要求越來(lái)越高。但是,由于電力供求矛盾的存在,市電電網(wǎng)電壓的波動(dòng)較大,不能滿足高精密負(fù)載的要求,需要在市電電網(wǎng)與負(fù)載之間增設(shè)一臺(tái)高穩(wěn)壓精度的寬穩(wěn)壓范圍的。

形式有很多種,目前應(yīng)用較多的三相柱式交流穩(wěn)壓器,由于用的是機(jī)械傳動(dòng)和碳刷觸點(diǎn)進(jìn)行調(diào)節(jié),因而存在工作壽命短、可靠性差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。正在被一種無(wú)觸點(diǎn)多補(bǔ)償變壓器式交流所取代。

“補(bǔ)償”的概念有補(bǔ)足和抵消兩種意思。所謂多補(bǔ)償變壓器式交流穩(wěn)壓電源,就是用多個(gè)(一般是2~4個(gè))補(bǔ)償變壓器,將其次級(jí)串入主電路中,通過(guò)由雙向晶閘管或固態(tài)繼電器組成的“多全橋”變換電路,采用有選擇的切換或通過(guò)切換串入補(bǔ)償變壓器的個(gè)數(shù)進(jìn)行有級(jí)補(bǔ)償,來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓目的。由于沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)和碳刷,因而提高了壽命與動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度,使交流穩(wěn)壓電源的整體性能大大提高。但也存在著一些缺點(diǎn),諸如只能有級(jí)調(diào)壓,調(diào)節(jié)精度不高,使用的補(bǔ)償變壓器及控制開(kāi)關(guān)較多,電路相對(duì)復(fù)雜等。本文取其優(yōu)點(diǎn)、避其缺點(diǎn),提出了用等脈寬調(diào)制(——equal-pulse width modulation)高頻斬波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕涣鞣€(wěn)壓電源以供參考。它是作者曾經(jīng)研制和發(fā)表過(guò)的“PWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源”的一種改進(jìn)變形電路(參見(jiàn)電源世界2002年第1期及電源技術(shù)應(yīng)用2002年第3期),比原電路更簡(jiǎn)單,也更合理一些。

1 工作

斬波式交流穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)化電路如圖1所示。它是由主電路和控制電路兩部分組成的。主電路是由橋式斬波器V1~V4及其輸出變壓器Tr、直流整流電源VD1~VD4和輸出交流濾波器LF、CF組成。橋式斬波器通過(guò)其輸出變壓器Tr的次級(jí)串聯(lián)在市電電源與負(fù)載之間,以便對(duì)市電電壓的波動(dòng)進(jìn)行正、負(fù)補(bǔ)償。橋式斬波器輸出電壓中的諧波,由濾波器LFCF來(lái)濾除。橋式斬波器所需的直流電源,由取自穩(wěn)壓電源輸出端的市電電源,通過(guò)整流器VD1~VD4來(lái)供給。這里應(yīng)該指出的是,EPWM橋式斬波器V1~V4并不是工作在逆變器狀態(tài),而是工作在橋式斬波器狀態(tài)。這是由它的EPWM工作方式、直流電源電壓波形和直流電容Cd值的大小及其功能來(lái)區(qū)分的。如圖2所示,橋式斬波器的直流電壓,不是通過(guò)電容Cd把整流電壓濾波成恒定的平滑直流電壓,而是仍然為單相橋式整流電壓的波形。直流電容Cd不再具有直流濾波功能,而只是為了創(chuàng)造一個(gè)續(xù)流通路而設(shè)置的。對(duì)于感性負(fù)載,在一個(gè)斬波開(kāi)關(guān)周期內(nèi)續(xù)流的能量是很小的(由于斬波頻率較高),所以Cd的值也很小,Cd的充放電速度很快,不會(huì)影響整流電壓的上升或下降速度,使Cd上的電壓與不濾波的整流電壓波形相同。也就是說(shuō),由于電容Cd的值很小,它只允許續(xù)流電流通過(guò),不再具有直流濾波功能,因此對(duì)整流波形不產(chǎn)生影響。這就說(shuō)明橋式斬波器是工作在EPWM斬波狀態(tài),而不是工作在逆變狀態(tài)。

圖1 EPWM斬波式交流穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)化電路框圖

圖2 EPWM橋式斬波器主電路

斬波式交流穩(wěn)壓電源的控制電路,是由市電輸入電壓整流檢測(cè)電路、比較電路、EPWM電路和橋式斬波器開(kāi)關(guān)V1~V4工作狀態(tài)的切換和觸發(fā)電路組成。在市電電壓整流檢測(cè)電路中,加入對(duì)濾波電感LF上的電壓檢測(cè),是為了減小濾波電感LF的電抗對(duì)穩(wěn)壓精度的影響。

EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源工作原理如圖1所示。當(dāng)市電電壓波動(dòng)時(shí),通過(guò)對(duì)市電輸入電壓us及濾波電感LF上電壓的整流檢測(cè)電路,得到電壓信號(hào)US.L,將US,L與基準(zhǔn)參考電壓Ur進(jìn)行比較,得到誤差電壓ΔU。當(dāng)US,L>Ur時(shí)(市電電壓上波動(dòng))得動(dòng)+ΔU,+ΔU使EPWM調(diào)制器中的比較器U2不能工作,只能使比較器U1工作,+ΔU通過(guò)與三角波uc在U1中進(jìn)行比較,在+ΔU大于三角波的部分產(chǎn)生出EPWM脈沖信號(hào),此信號(hào)通過(guò)“狀態(tài)切換觸發(fā)電路”對(duì)橋式斬波器中的開(kāi)關(guān)管V1~V4進(jìn)行控制,在其輸出變壓器Tr次級(jí)產(chǎn)生負(fù)補(bǔ)償電壓-uco,使負(fù)載電壓UL=USUco=Ur;當(dāng)US,LUr時(shí)(市電電壓下波動(dòng))得到-ΔU,-ΔU使EPWM調(diào)制器中的比較器U1不能工作,只能使比較器U2工作,-ΔU通過(guò)反相器與三角波uc在U2中進(jìn)行比較,在ΔU大于三角波部分產(chǎn)生出EPWM脈沖信號(hào),此信號(hào)通過(guò)“狀態(tài)切換觸發(fā)電路”對(duì)橋式斬波器中的開(kāi)關(guān)管V1~V4進(jìn)行控制,在其輸出變壓器Tr次級(jí)產(chǎn)生正補(bǔ)償電壓+uco,使負(fù)載電壓UL=USUco=Ur。

對(duì)市電電壓的正、負(fù)補(bǔ)償,是通過(guò)狀態(tài)切換觸發(fā)電路,切換橋式斬波器中開(kāi)關(guān)管V1~V4的工作順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果對(duì)應(yīng)于市電的正半周讓V1及V4導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)于市電的負(fù)半周讓V2及V3導(dǎo)通,是對(duì)市電電壓進(jìn)行正補(bǔ)償,如圖2中的虛線路徑所示。對(duì)應(yīng)于市電正半周讓V2及V3導(dǎo)通,對(duì)應(yīng)于市電負(fù)半周V1及V4導(dǎo)通,就是對(duì)市電電壓進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償,如圖2中點(diǎn)劃線路徑所示。

采用圖2所示主電路對(duì)市電電壓波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵有兩點(diǎn):一是EPWM;二是電容Cd的值要小到不影響整流電壓ucd的變化,即使Cd小到不再具有直流濾波功能。

2 EPWM調(diào)制及正弦斬波電壓的生成

圖1所示交流穩(wěn)壓電路的EPWM,與正弦斬波電壓的生成如圖3所示。其中圖3(a)為整流器VD1~VD4的交流輸入電壓波形,圖3(b)為直流電容Cd上的電壓波形,圖3(c)為EPWM,圖3(d)為EPWM產(chǎn)生的橋式斬波器中開(kāi)關(guān)管V1~V4的觸發(fā)脈沖波形,圖3(e)即為EPWM正弦斬波電壓波形,圖3(f)為T(mén)r初級(jí)補(bǔ)償電壓波形。

EPWM是由P.D.Parkh,S.R.Paradla于1983年首先提出來(lái)的。其原理是采用用直流形式表示的誤差電壓ΔU與三角波電壓uc進(jìn)行比較如圖3(c)所示,在直流誤差電壓ΔU大于三角波電壓的部分產(chǎn)生出等脈寬調(diào)制脈沖,如圖3(d)所示。用圖3(d)的等脈寬調(diào)制脈沖去觸發(fā)橋式斬波器中相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管V1~V4,就可以在橋式斬波器的兩橋臂中點(diǎn)a和b之間產(chǎn)生出EPWM正弦斬波電壓波形,如圖3(e)所示。經(jīng)過(guò)濾波器LFCF濾波后,就可以在變壓器Tr初級(jí)得到正弦補(bǔ)償電壓uab1,如圖3(f)所示。uab1在Tr次級(jí)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓uco。當(dāng)對(duì)市電電壓進(jìn)行正補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償電壓uco與市電電壓相位相同;當(dāng)對(duì)市電電壓進(jìn)行負(fù)補(bǔ)償時(shí),補(bǔ)償電壓uco與市電電壓相位相反。圖3是針對(duì)正補(bǔ)償情況畫(huà)出來(lái)的,對(duì)負(fù)補(bǔ)償也可以畫(huà)出相應(yīng)的波形圖。

對(duì)于圖3(e)所示的EPWM正弦斬波電壓波形,為了使此波形具有半波奇對(duì)稱(chēng),和四分之一波偶對(duì)稱(chēng),以消除其傅里葉級(jí)數(shù)中的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)中的偶次諧波,使載波比N=fc/f=4k,即三角波頻率fc為市電頻率f的4整數(shù)倍。調(diào)制比Mt/TΔU/Ucm,Δt為脈沖寬度,TΔ=1/fc為三角波周期、Ucm為三角波幅值,如圖3(e)所示??芍?,Mt/TΔ就是EPWM正弦斬波電壓波形的占空比D,即Mt/TΔ=D。

(a) 整流輸入電壓

(b) 電容Cd上電壓

(c) EPWM

(d) 斬波開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖

(e) EPWM正弦斬波波形

(f) 補(bǔ)償電壓

圖3 EPWM斬波器式交流穩(wěn)壓電源的工作波形圖

載波三角波的方程式為

uc=i=1,2,3,…(1)

當(dāng)調(diào)制電平為ΔU時(shí),可求出觸發(fā)脈沖起始點(diǎn)ti和終止點(diǎn)ti+1的方程式。

U,得到

ti=ΔU(2)

U,得到

ti+1=ΔU(3)

則脈沖寬度為

Δt=ti+1ti=ΔU(4)

式中:TΔ=2π/N。

各觸發(fā)脈沖的起始角和終止角的數(shù)值為

α1=(1-D);α2=(1+D);α3=(3-D);α4=(3+D);

……

由圖3(e)可以看出,EPWM正弦斬波電壓波形是鏡對(duì)稱(chēng)和原點(diǎn)對(duì)稱(chēng),因此,在它的傅里葉級(jí)數(shù)中將不包含余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)中的偶次諧波,只包含正弦項(xiàng)中的奇次諧波,即

f(ωt)=bnsinnωt n為奇數(shù)(5)

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