PWM斩波器式交流稳压电源的原理分析

表1 基波和各次谐波与调制比M的关系

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S1导通，Tr按升压自耦变压器方式工作，输出电压＋uco，以补足市电电压中的不足部分。图4（b）是用两个PWM正弦斩波开关和两个双向晶闸管（或固态继电器）的主电路。这样，变压器Tr的次级只用一个绕组就可以了。当us>ur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时开关S1和S4导通，Tr工作在升压自耦变压器状态，输出电压＋uco，以补足市电电压的不足部分。图4（c）是图1使用的主电路。图4（d）与图4（b）相同，只是采用了一个PWM正弦斩波开关和四个双向晶闸管。PWM正弦斩波器开关的结构型式有三种，如图4（e）所示。图4所示各种主电路及其PWM正弦斩波器开关各有特点，设计者可根据自身条件和需要选择使用。

(a)主电路之一(b)主电路之二(c)主电路之三

(d)主电路之四(e)斩波开关型式

图4 主电路与PWM斩波开关型式

2.3 线路阻抗的补偿

在图4所示的主电路中，补偿变压器Tr次级绕组的电阻和漏感，以及交流滤波电感LF的绕组电阻图3谐波分量与调制比M的关系曲线和电感，与市电电源的内阻抗共同组成线路阻抗Z。在有负载时线路阻抗Z产生的电压降Zis对稳压精度是有直接影响的。为了提高稳压电源的精度，对Z的影响应进行补偿，其补偿电路如图1中虚线电路所示。由于Zis使输出电压uo减小，减小的程度与电流is成正比，因而在控制电路中加入了一个乘法器，将测得的is与Z相乘的Zis信号串入到us检测电路中，使us相应减小一些即可以补偿掉Zis的影响。PWM正弦斩波器开关管的正向压降、变压器Tr初级绕组的电阻和漏感，也可以造成PWM正弦斩波器输出电压uco值的减小，对稳压精度也有影响，但这个影响较固定且数值不大，因此可以通过调高变压器Tr的变比ξ来补偿。

2.4 考虑线路阻抗Z的补偿分析

假定市电电压us大于或小于基准电压ur，在考虑到线路阻抗Z时稳压电源输出电压uo的方程式为：

uo=us－Zis±uco （10）

式中：us=Ussinωt；

is=Issinωt。

补偿变压器Tr的变比ξ=Uc/Usm，Usm=Us

将式（9）及us、is的值代入式（10）得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt±ξMUsmsinωt

ξsinKMπ·sin(KN±1)ωt

用电路中的交流滤波器LFCF滤掉uco中的高次谐波后可得：

uo=Ussinωt－ZIssinωt±ξMUsmsinωt（11）

当us增高到>ur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″ur时，Usm″Usm，由于ΔU=UrUUs″+ZIs,M=ΔU/Uc=(Ur-Us″+ZIs)/Uc,ξ″=Uc/Usm″,代入式（11）得：

uo=sinωt－ZIssinωt＋

ξ″〔(Ur－＋ZIs)/Uc〕sinωt

=Ursinωt (13)

图1所示PWM正弦斩波器式稳压电源，在工作过程中有以下6种情况：

1)us增至>ur＋Zis时，uco=－Zis－ur，输出电压uo=－(－Zis－ur)－Zis=ur

2)us降至ur＋Zis时，uco=ur－＋Zis，输出电压uo=＋(ur－＋Zis)－Zis=ur

3)us=ur时，uco=－Zis，输出电压uo=us－(－Zis)－Zis=us=ur

4)空载(is=0)>ur时，uco=－ur，输出电压uo=－(－ur)=ur

5)空载(is=0)ur时，uco=-+ur，输出电压uo=＋(－＋ur)=ur

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25％。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。