專利名稱：交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，尤指一種采用串聯(lián)控制和斷續(xù)控制的組合控制方式，以脈寬調(diào)壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動調(diào)壓器調(diào)壓，以電力半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機電裝置，減小電磁轉(zhuǎn)換引起的能量損耗，保證補償穩(wěn)壓電源的大功率輸出，提高電能轉(zhuǎn)換效率及可靠性的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器。
目前國內(nèi)、外用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)電壓，保證電壓質(zhì)量的交流電力穩(wěn)壓器以電動調(diào)壓補償式的電力穩(wěn)壓器為主。該補償式交流穩(wěn)壓器是九十年代初引進、消化、吸收國外先進電力電子技術(shù)而發(fā)展的新產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)主要由電動調(diào)壓器、補償變壓器及檢測控制電路組成，它自動檢測輸出電壓，并根據(jù)實測電壓的高低，驅(qū)動可逆伺服電機，調(diào)整碳刷接觸的有載調(diào)壓器，改變調(diào)壓器輸出電壓的方向及大?。贿B接在調(diào)壓器輸出端的補償變壓器的輸出電壓因而產(chǎn)生相應(yīng)的變化；由于補償變壓器的輸出端與電源串聯(lián)，故穩(wěn)壓器輸出電壓為電源電壓與補償電壓的矢量和，因此使補償后的輸出電壓保持穩(wěn)定。這種電路的主要特點是效率高，穩(wěn)壓效果好，適于用作大功率的電力穩(wěn)壓器，其容量可達(dá)到1000KVA左右。
盡管補償式交流穩(wěn)壓器由于上述的特點而在我國方興未艾，但該產(chǎn)品仍存然在的一些問題有待解決1)這種交流穩(wěn)壓器的電動調(diào)壓器體積大，造價昂貴，需要消耗大量的硅鋼片和電磁線等電力材料。
2)該產(chǎn)品的應(yīng)變速度慢，由電壓變化到開始動作需要0.5秒以上，碳刷移動調(diào)整電壓的速度十分緩慢，因此在電源電壓和負(fù)荷發(fā)生突變時，不能及時進行補償；在電源電壓和負(fù)荷頻繁變化的場合，其穩(wěn)壓效果欠佳。
3)在頻繁的動作中，碳刷極易磨損或斷裂，使產(chǎn)品的可靠性及壽命受到嚴(yán)重影響；雖然一些電子儀器廠生產(chǎn)了滾動式碳刷以解決這一問題，但碳刷仍屬于影響產(chǎn)品可靠性及壽命的易損部件。
4)由伺服電機、蝸輪蝸桿組成的電動調(diào)壓器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳動機構(gòu)，其維護和檢修的困難度較大。
近年來，電力電子技術(shù)取得了飛速發(fā)展，開關(guān)電源在現(xiàn)代電源技術(shù)中己占有重要地位。交流輸入直流輸出(AD)開關(guān)穩(wěn)壓電源、直流輸入直流輸出(DD)開關(guān)穩(wěn)壓電源己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、電力、通信等各個領(lǐng)域。交流輸入交流輸出(AA)隔離式開關(guān)電源也在電機控制及UPS不間斷供電電源(UPS)中得到應(yīng)用。
為了實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，各種開關(guān)電源中廣泛應(yīng)用整流器(交流—直流)、斬波器(直流—直流)、逆變器(直流—交流)、變壓器(交流—交流)等轉(zhuǎn)換裝置，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、大功率開關(guān)晶體管(IGBT)等器件廣泛應(yīng)用于較大功率的開關(guān)電源，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展十分迅速，新理論、新技術(shù)、新器件、新材料的發(fā)展使開關(guān)電源的發(fā)展進入了一個新階段。實現(xiàn)開關(guān)電源的高功率因數(shù)和大功率輸出已成為當(dāng)前開關(guān)電源發(fā)展的兩大課題，而用于電力系統(tǒng)的大功率開關(guān)電源更為人們所關(guān)注。
穩(wěn)壓電源按其控制方式可分為串聯(lián)控制和斷續(xù)控制兩大類，上述現(xiàn)有的交流電力穩(wěn)壓器為串聯(lián)控制補償式穩(wěn)壓電源；而目前的開關(guān)穩(wěn)壓電源多屬于斷續(xù)控制，其原理為通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖寬度改變開關(guān)電路功率開關(guān)的導(dǎo)通比，由此達(dá)到穩(wěn)壓的目的。
AA正弦波輸出開關(guān)逆變穩(wěn)壓電源采用了SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)，SPWM逆變電源包括兩級整流電路和兩級開關(guān)逆變電路以及相應(yīng)的控制保護電路，其工作原理是交流電源輸入電壓經(jīng)不可控橋式整流電路整流及大容量電容濾波后變?yōu)榛酒交闹绷麟妷海鳛榻涣鞣€(wěn)壓器電源。電源采用具有SPWM正弦波脈寬調(diào)制功能的開關(guān)電路，控制電路通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖寬度不斷改變電路功率開關(guān)的導(dǎo)通比。
上述的脈沖寬度隨正弦控制電壓的變化而近似呈正弦變化，濾波后的逆變輸出電壓為正弦電壓。這種電路存在如下幾個問題1)不可控橋式整流電路只有當(dāng)輸入電壓幅值大于濾波電容兩端電壓時，整流二極管才能導(dǎo)通，故導(dǎo)通時間短，沖擊電流大，功率因數(shù)低。為提高這種開關(guān)電源功率因數(shù)，在品質(zhì)較高的產(chǎn)品中均采用動態(tài)功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高；2)控制信號必須為正弦波，需要專門電路產(chǎn)生正弦交流信號，因此控制電路復(fù)雜；3)受功率器件的限制，難以得到較大功率輸出。
有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實用新型的主要目的在于提供一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器采用串聯(lián)控制和斷續(xù)控制的組合控制方式，以脈寬調(diào)壓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電動調(diào)壓器調(diào)壓，以電力半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機電裝置，減小電磁轉(zhuǎn)換引起的能量損耗，保證補償穩(wěn)壓電源的大功率輸出，提高電能轉(zhuǎn)換效率、可靠性及穩(wěn)壓器的壽命。
本實用新型的另一目的在于提供一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器取消一般開關(guān)電源的大容量濾波電容，使開關(guān)電路輸入電流為正弦波，提高功率因數(shù)，改善輸出電壓的波形和失真程度，并與輸入電壓完全同步。
本實用新型的又一目的在于提供一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器的工作頻率為幾十KHz，其控制的響應(yīng)時間大大縮短，從而特別適應(yīng)頻繁變化的負(fù)荷。
本實用新型的再一目的在于提供一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器無需采用動態(tài)功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)即可制作高品質(zhì)的穩(wěn)壓電源，其結(jié)構(gòu)簡單，整個裝置的重量和尺寸大幅度減小，并且降低制造和使用的成本。
本實用新型的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，它包括用于控制變頻電路的控制保護電路、供電濾波器及輸出濾波器；該穩(wěn)壓器還設(shè)有一變壓器、一電能轉(zhuǎn)換電路及一換向電路，其中，變壓器的次級串聯(lián)在供電主回路中并與輸出濾波器并聯(lián)；電能轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接到供電濾波器的輸出端，電能轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到變壓器的初級；換向電路連接在供電主回路中；控制保護電路同時連接電能轉(zhuǎn)換電路及換向電路。
上述的變壓器為工頻變壓器或高頻變壓器。
所述的電能轉(zhuǎn)換電路為交流斬波器或直流斬波器或逆變電路或交流變頻電路；其中，直流斬波器或逆變電路中可設(shè)有的濾除電源高頻成分的濾波電容，該濾波電容具有保持輸出電壓為正弦波形的較小的容值。
所述的交流斬波器或直流斬波器為具有脈寬調(diào)制功能的交流斬波器或直流斬波器。
所述的逆變電路或交流變頻電路為具有PWM脈沖幅度調(diào)制功能及PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能的逆變電路或交流變煩電路。
所迷的換向電路為換向開關(guān)或雙向可控整流電路或交流同步整流電路。
本實用新型具有如下的特點和效果1)由于采用集成化、模塊化、高頻化的電子電源裝置取代傳統(tǒng)電力變壓器的機電裝置，并且，開關(guān)式交流穗壓電源工作于幾十KHz，其控制的響應(yīng)時間被大大縮短，因此特別適應(yīng)于頻繁變化的電力負(fù)荷。
2)由于用脈寬調(diào)壓代替了傳統(tǒng)的電動調(diào)壓器調(diào)壓，省去了體積大、造價昂貴，消耗大量硅鋼片和電磁線的有載調(diào)壓器，省略了由伺服電機、蝸輪蝸桿組成的傳動機構(gòu)，整個穩(wěn)壓器的重量和尺寸大幅度減小，制造和維護的成本也得到了降低。
3)由于用電力半導(dǎo)體器件代替了傳統(tǒng)的機電裝置，減小了電磁轉(zhuǎn)換引起的能量消耗，提高了電能轉(zhuǎn)換效率，并且具有可靠性高、壽命長的特點。由于取消了一般開關(guān)電源的大容量濾波電容，開關(guān)電路輸入電流為正弦波，功率因數(shù)接近1；輸出電壓波形好，失真小且與輸入電壓完全同步。與目前廣泛應(yīng)用的SP規(guī)正弦脈寬調(diào)制開關(guān)電路相比，無需采用動態(tài)功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單又有較高性能價格比。
4)本實用新型取消了一般開關(guān)電源的大容量濾波電容，使開關(guān)電路輸入電流為正弦波，提高了功率因數(shù)，改善了輸出電壓的波形和失真程度，并使其輸出與輸入電壓完全同步。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步的詳細(xì)說明

圖1為本實用新型實施例1的主回路原理方框圖。
圖2為本實用新型實施例1的主回路波形示意圖。
圖3為本實用新型實施例1的電路原理圖。
圖4為本實用新型實施例2的主回路原理方框圖。
圖5為本實用新型實施例2的主回路波形示意圖。
圖6為本實用新型實施例2的電路原理圖。
圖7為本實用新型實施例3的主回路原理方框圖。
圖8為本實用新型實施例3的主回路波形示意圖。
圖9為本實用新型實施例3的電路原理圖。
圖10為本實用新型實施例4的主回路原理方框圖。
圖11為本實用新型實施例4的主回路波形示意圖。
圖12為本實用新型實施例4的電路原理圖。
圖13為本實用新型實施例5的主回路原理方框圖。
圖14為本實用新型實施例5的主回路波形示意圖。
圖15為本實用新型實施例5的電路原理圖。
圖16為本實用新型實施例6的主回路原理方框圖。
圖17為本實用新型實施例6的主回路波形示意圖。
圖18為本實用新型實施例6的電路原理圖。
圖19為本實用新型實施例7的主回路原理方框圖。
圖20為本實用新型實施例7的主回路波形示意圖。
圖21為本實用新型實施例7的電路原理圖。
圖22為本實用新型實施例8的主回路原理方框圖。
圖23為本實用新型實施例8的主回路波形示意圖。
圖24為本實用新型實施例8的電路原理圖。
如圖1、2、3所示本實用新型第一實施例的主回路中設(shè)有一由場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4組成的交流斬波器，一由電容C1、C2、電感L1組成的濾波器、一工頻補償變壓器B1及換向開關(guān)K。控制保護電路(圖中未示)的一組輸出端與場效應(yīng)管M1、M2的控制端同時連接，控制保護電路(圖中未示)的另一組輸出端與場效應(yīng)管M3、M4的控制端同時連接，由此控制保護電路分別控制兩組場效應(yīng)管導(dǎo)通或關(guān)斷；由上述的兩組場效應(yīng)管組成斬波器，其工作于交流電源中，因此具有脈寬調(diào)制功能。正弦交流電壓經(jīng)該交流斬波器轉(zhuǎn)化為脈寬可調(diào)的高頻電壓(如圖2所示)，經(jīng)電感L2以及電容C3組成的濾波電路濾波后變?yōu)榕c電源同步的工頻交流電壓(如圖2所示)，該交流輸出電壓送至工頻補償變壓器B1初級，該變壓器輸出端與電源串聯(lián)。換向開關(guān)K工作在于交流狀態(tài)下，(它可以是電器開關(guān)或工作在交流環(huán)境的半導(dǎo)體器件)其由根據(jù)控制保護電路輸出的控制信號控制該換向開關(guān)的工作狀態(tài)?？刂票Ｗo電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)所述的交流斬波器的輸出脈寬，輸出脈沖電壓脈寬的占空比在0至50％范圍變化，工頻補償變壓器的初級及該變壓器輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此時，穩(wěn)壓器輸出的電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓的矢量和，由此實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。當(dāng)電源電壓低于額定電壓時，換向開關(guān)K的端子1與端子3接通，變壓器輸出電壓與電源交流電壓同相，實現(xiàn)升壓補償；當(dāng)電源電壓高于額定電壓時，換向開關(guān)K的端子1與端子2接通，變壓器輸出電壓與電源交流電壓反相，實現(xiàn)降壓補償。由于換向開關(guān)K僅用于低電壓或過電壓的補償變壓器的電壓相位切換，本實施例在電源過電壓穩(wěn)壓要求不高的場合應(yīng)用時，可省略該換向開關(guān)K。
如圖4、5、6所示，本實用新型第二實施例的主回路設(shè)有由整流二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路，由場效應(yīng)管M1、M2組成直流斬波器、由電容C1、C2、電感L1組成的濾波器，工頻補償變壓器B1和由場效應(yīng)管M3、M4組成的直流換向開關(guān)。直流斬波器工作在直流狀態(tài)，場效應(yīng)管M1、M2工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此具有脈寬調(diào)制功能；正弦交流電壓經(jīng)所述的橋式整流電路整流后，使整流輸出電壓保持正弦脈動電壓波型，在經(jīng)過橋式整流電路整流后，還可以通過電容濾波器濾除高頻成分，而本實施例電路中的濾波電容容量較小，可忽略；如實際的整流管采用能工作在高頻狀態(tài)下的快恢復(fù)二極管，可不設(shè)濾波電容。直流斬波器脈寬通過控制保護電路(圖中未示)調(diào)整，其輸出電壓為脈寬可調(diào)的高頻電壓。場效應(yīng)管M5、M6組成的換向開關(guān)，根據(jù)控制保護電路的控制信號，控制兩組開關(guān)的的工作狀態(tài)，開關(guān)狀態(tài)變化與線路工頻電流同步變化，每一周期轉(zhuǎn)換兩次，使該電路輸出電壓變?yōu)檎艺{(diào)幅、脈寬可調(diào)的交流高頻電壓(如圖5所示)，經(jīng)電感L2、電容C3組成的濾波電路濾波后變?yōu)榕c電源同步的工頻交流電壓。交流輸出電壓送至工頻補償變壓器初級，變壓器輸出電壓與電源串聯(lián)?？刂票Ｗo電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)直流斬波器的輸出脈寬，使工頻補償變壓器初級及變壓器輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化，穩(wěn)壓器輸出的電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓的矢量和，由此實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。當(dāng)電源電壓低于額定值時，補償變壓器輸出的電壓與電源電壓相位相同，輸出電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓之和。當(dāng)電源電壓高于額定值時，補償變壓器輸出的電壓與電源電壓相位相反，輸出電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓之差。本實施例電路可采用兩種不同的控制方式既可采用常用的半橋電路控制的兩組脈沖分別控制場效應(yīng)管M1、M2的導(dǎo)通與關(guān)斷；也可采用單端正激電路的控制脈沖。如采用單端正激電路的控制脈沖，在場效應(yīng)管M6處于導(dǎo)通狀態(tài)時，場效應(yīng)管M1由脈沖信號控制開通與關(guān)斷，場效應(yīng)管M2始終關(guān)斷，其反接二極管起續(xù)流作用；場效應(yīng)管M5處于導(dǎo)通狀態(tài)時，場效應(yīng)管M2由脈沖信號控制開通與關(guān)斷，場效應(yīng)管M1始終關(guān)斷，其反接二極管起續(xù)流作用。
如圖7、8、9所示，本實用新型第三實施例的主回路設(shè)有由整流二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路，由場效應(yīng)管M1、M2、電容C3、C31組成的逆變電路，高頻變壓器B2，由場效應(yīng)管M5、M6、M7、M8以及可控硅D5、D6、D7、D8組成的兩組雙向可控同步整流器，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。該逆變電路工作在直流狀態(tài)下，可采用橋式及半橋開關(guān)電路，本實施例電源的逆變電路不同于一般開關(guān)電源在于橋式整流輸出端的濾波電容C3、C31的容量較小，僅濾除高頻成分，(如整流管采用能工作于高頻的快恢復(fù)二極管，可不設(shè)該濾波電容)，使輸出電壓波型仍為具有正弦半波的直流脈動電壓(如圖8所示)。場效應(yīng)管M1、M2工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此具有脈寬調(diào)制功能，開關(guān)頻率數(shù)KHz以上，其輸出脈沖電壓脈寬的占空比在0至50％范圍變化。本實施例通過采用PAM脈沖幅度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)高頻脈沖電壓幅度自動調(diào)整，電壓幅度的變化受控于交流電源電壓，電路輸出電壓為具有50Hz的正弦調(diào)幅載波高頻電壓。另外本實施例具有PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)輸出電壓的自動調(diào)整。高頻開關(guān)電壓輸出到高頻變壓器B2。該變壓器有兩個功能一是根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，二是使輸出電路與電源輸入端隔離。雙向可控整流電路工作在交流狀態(tài)下，本實施例中該整流電路由兩組交流可控整流器組成，在不同控制脈沖作用下，每組電路可具有三種工作狀態(tài)。以場效應(yīng)管M5、M6組成的交流雙向可控整流器為例當(dāng)場效應(yīng)管M5、M6的控制端輸入O電壓或負(fù)電壓時，整流器的輸入端與輸出端保持開路，當(dāng)場效應(yīng)管M5的控制端輸入正電壓，場效應(yīng)管M6的控制端輸入O電壓或負(fù)電壓時，整流器的輸入端與輸出端之間正向?qū)?、反向截止，?dāng)場效應(yīng)管M6的控制端輸入正電壓，場效應(yīng)管M5的控制端輸入O電壓或負(fù)電壓時，整流器的輸入端與輸出端之間反向?qū)?、正向截止。該電路受控于不同的控制脈沖，可實現(xiàn)可控雙向整流，在實際電路中，控制脈沖是與逆變電路同步觸發(fā)的、占空比固定為50％的高頻脈沖。因此，根據(jù)電流的變化對控制端施加不同的電壓時，電路的輸出端可以得到正弦調(diào)幅交流半波開關(guān)電壓(如圖8所示)，輸出電壓經(jīng)濾波電路，轉(zhuǎn)換為正弦交流電壓?？刂票Ｗo電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)逆變開關(guān)電路的輸出脈寬，使高頻變壓器B2初級及變壓器輸出電壓相應(yīng)變化，穩(wěn)壓器的輸出電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓的矢量和，由此實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本實施例通過改變高頻變壓器B2傳輸電壓的大小和方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓。電源電壓低于額定值時，變壓器傳輸電壓與電源電壓方向相同時控制雙向可控同步整流器導(dǎo)通，輸出瞬時電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之和，濾波輸出電壓高于電源電壓，實現(xiàn)升壓補償。電源電壓高于額定值時，變壓器傳輸電壓與電源電壓方向相反時控制雙向可控同步整流器導(dǎo)通，輸出瞬時電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之差，濾波輸出電壓低于電源電壓，實現(xiàn)降壓補償。
如圖10、11、12所示，本實用新型第四實施例的主回路設(shè)有由整流二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路，場效應(yīng)管M1、M2、電容C3、C31組成的逆變電路，高頻變壓器B2，由場效應(yīng)管M5、M7以及場效應(yīng)管M6、M8組成的兩組交流同步整流器，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。該逆變電路工作在直流狀態(tài)，其與一般開關(guān)電源常用的逆變電路基本相同，采用橋式及半橋開關(guān)電路，本實施例中該逆變電路不同于一般開關(guān)電源在于橋式整流輸出端的濾波電容C3、C31的容量較小，其僅濾除高頻成分，(如整流管采用能工作于高頻的快恢復(fù)二極管，可不設(shè)濾波電容)，而電壓波型仍為具有正弦半波的直流脈動電壓(如圖11所示)。場效應(yīng)管M1、M2工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此具有脈寬調(diào)制功能，其開關(guān)頻率數(shù)KHz以上，輸出脈沖電壓脈寬的占空比在0至50％范圍變化。該電路通過采用PAM脈沖幅度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)高頻脈沖電壓幅度自動調(diào)整，電壓幅度的變化受控于交流電源電壓，電路輸出的電壓為具有50Hz正弦調(diào)幅載波高頻電壓。高頻開關(guān)電壓輸出至高頻變壓器B2。該變壓器有兩個功能第一是根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，第二是使輸出電路與電源輸入端隔離。交流同步整流電路工作在交流狀態(tài)，當(dāng)控制端輸入正電壓時每組開關(guān)的兩只場效應(yīng)管同時導(dǎo)通，當(dāng)控制端輸入負(fù)電壓或0電壓時兩只場效應(yīng)管同時關(guān)斷。在控制信號作用下，實現(xiàn)雙向可控同步整流，使高頻電壓向工頻電壓的轉(zhuǎn)換，交流同步整流電路的控制脈沖與開關(guān)逆變電路控制脈沖保持同步，脈寬同時變化。交流同步整流電路的輸出電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之和，經(jīng)濾波后變?yōu)檎医涣麟妷??？刂票Ｗo電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)逆變開關(guān)電路和交流同步整流電路的輸出脈寬，高頻變壓器B2初級及變壓器輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)變化，使輸出電壓保持穩(wěn)定。本實施例的特點是高頻變壓器B2輸出電壓始終與電源電壓保持相同方向，由于交流同步整流電路與前面的高頻開關(guān)電路同步控制，按電壓變化調(diào)整高頻電壓的脈寬實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。
如圖13、14、15所示，本實用新型第五實施例的主回路設(shè)有由場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4、電容C3、C31組成的半橋式交流變頻電路，高頻變壓器B2，由場效應(yīng)管M5、M6和場效應(yīng)管M7、M8組成的兩組交流同步整流器，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。交流變頻電路工作在交流狀態(tài)，可采用橋式及半橋開關(guān)電路。該交流變頻電路輸入普通交流50Hz電壓，開關(guān)電路工作在交流電源下，其開關(guān)頻率為數(shù)KHz以上。當(dāng)控制端輸入正電壓時每組開關(guān)的兩只場效應(yīng)管同時導(dǎo)通，當(dāng)控制端輸入負(fù)電壓或0電壓時兩只場效應(yīng)管同時關(guān)斷。該電路采用PAM脈沖幅度調(diào)制，實現(xiàn)了高頻脈沖電壓幅度自動調(diào)整，其電壓幅度的變化受控于交流電源電壓；該電路輸出電壓為具有50Hz的正弦調(diào)幅載波高頻電壓(如圖14所示)，該載波電壓與正弦交流電源電壓同步變化。另外，該電路具有PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)電壓自動調(diào)整。高頻開關(guān)電壓輸出到高頻變壓器B2，該變壓器根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，并且使輸出電路與電源輸入端隔離。交流同步整流電路為一交流開關(guān)電路，對于每組交流同步整流電路，當(dāng)控制端輸入正電壓時，每組開關(guān)的兩只場效應(yīng)管同時導(dǎo)通；當(dāng)控制端輸入負(fù)電壓或0電壓時，兩只場效應(yīng)管同時關(guān)斷，在控制信號的作用下，實現(xiàn)雙向可控同步整流，使高頻電壓向工頻電壓的轉(zhuǎn)換；交流同步整流電路的控制脈沖與開關(guān)逆變電路控制脈沖保持同步，其脈寬相同變化。因此，交流同步整流電路的輸出電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之和，經(jīng)濾波后變?yōu)檎医涣麟妷?。控制保護電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)逆變開關(guān)電路和交流同步整流電路的輸出脈寬，高頻變壓器B2初級及變壓器輸出電壓相應(yīng)變化，使輸出電壓保持穩(wěn)定。本實施例的特點是高頻變壓器B2輸出電壓始終與電源電壓保持相同方向，由于交流同步整流電路與前面的高頻開關(guān)電路同步控制，按電壓變化調(diào)整高頻電壓的脈寬實現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出。
在本實施例的基礎(chǔ)上，增加直流電源以及直流逆變?yōu)榻涣鞯母哳l開關(guān)電路，可以制作不間斷電源。
如圖16、17、18所示，本實用新型第六實施例的主回路設(shè)有由場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4、電容C3、C31組成的半橋式交流變頻電路，高頻變壓器B2，由場效應(yīng)管M5、M6和M7、M8組成的兩組雙向可控整流電路，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。該交流變頻電路工作在交流狀態(tài)下，可采用橋式及半橋開關(guān)電路。交流變頻電路輸入普通交流50Hz電壓，其開關(guān)頻率為數(shù)KHz以上。當(dāng)其控制端輸入正電壓時，每組開關(guān)的兩只場效應(yīng)管同時導(dǎo)通，當(dāng)其控制端輸入負(fù)電壓或0電壓時，兩只場效應(yīng)管同時關(guān)斷。該電路通過采用PAM脈沖幅度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)高頻脈沖電壓幅度自動調(diào)整，電壓幅度的變化受控于交流電源電壓，該電路輸出電壓為具有50Hz的正弦調(diào)幅載波高頻電壓(如圖17所示)；該載波電壓與正弦交流電源電壓同步變化。另外，該電路具有PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)輸出電壓的自動調(diào)整，其輸出脈沖電壓脈寬的占空比在0至50％范圍內(nèi)變化。高頻開關(guān)電壓輸出至高頻變壓器B2，該變壓器根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，并且使輸出電路與電源輸入端隔離。雙向可控整流電路工作在交流電源中，本實施例的電路由兩組交流可控整流器組成，在不同控制脈沖作用下，每組電路可具有三種工作狀態(tài)。以場效應(yīng)管M5、M6組成的交流可控整流器為例當(dāng)場效應(yīng)管M5、M6控制端輸入0電壓或負(fù)電壓時，輸入與輸出端保持開路；當(dāng)場效應(yīng)管M5控制端輸入正電壓，場效應(yīng)管M6控制端輸入0電壓或負(fù)電壓時，整流器的輸入端與輸出端正向?qū)ā⒎聪蚪刂?，?dāng)場效應(yīng)管M6的控制端輸入正電壓，場效應(yīng)管M5的控制端輸入0電壓或負(fù)電壓時，整流器的輸入端與輸出端反向?qū)?、正向截止。該電路受控于不同的控制脈沖，可實現(xiàn)可控雙向整流。在實際電路中，控制脈沖與逆變電路同步觸發(fā)占空比固定為50％的高頻脈沖。因此，根據(jù)電流的變化對控制端施加不同的電壓，該電路可以得到正弦調(diào)幅交流開關(guān)電壓；該輸出電壓經(jīng)濾波電路，轉(zhuǎn)換為正弦交流電壓?？刂票Ｗo電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)節(jié)逆變開關(guān)電路的輸出脈寬，使高頻變壓器B2初級及變壓器的輸出電壓產(chǎn)生相應(yīng)的變化。穩(wěn)壓器的輸出電壓等于電源電壓與補償變壓器輸出電壓的矢量和，由此實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本實施例通過改變高頻變壓器B2傳輸電壓的大小和方向?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓。電源電壓低于額定值時，該變壓器傳輸電壓與電源電壓方向相同時控制雙向可控同步整流器導(dǎo)通，輸出瞬時電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之和，濾波輸出電壓高于電源電壓，實現(xiàn)升壓補償。電源電壓高于額定值時，該變壓器傳輸電壓與電源電壓方向相反時控制雙向可控同步整流器導(dǎo)通，輸出瞬時電壓等于電源電壓與高頻變壓器B2輸出電壓之差，濾波輸出電壓低于電源電壓，實現(xiàn)降壓補償。
如圖19、20、21所示，本實用新型第七實施例的主回路設(shè)有由整流二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路，由場效應(yīng)管M1、M2、電容C3、C21組成的逆變開關(guān)電路，高頻變壓器B2，由整流二極管D5、D6、D7、D8組成的第二組橋式整流器，由場效應(yīng)管M5、M6組成的換向開關(guān)，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。
逆變電路工作在直流狀態(tài)，其與一般開關(guān)電源常用的逆變電路基本相同，可采用橋式及半橋開關(guān)電路，本實施例的逆變電路不同于一般的開關(guān)電源在于橋式整流輸出端的濾波電容C3、C31的容量較小，僅濾除高頻成分，(如整流管采用能工作于高頻的快恢復(fù)二極管，可不設(shè)該濾波電容)，電壓波型仍為具有正弦半波的直流脈動電壓(如圖20所示)。場效應(yīng)管M1、M2工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，因此具有脈寬調(diào)制功能，其開關(guān)頻率為數(shù)KHz以上。該電路通過采用PAM脈沖幅度調(diào)制實現(xiàn)高頻脈沖電壓幅度的自動調(diào)整，電壓幅度的變化受控于交流電源的電壓，該電路輸出電壓為具有50Hz的正弦調(diào)幅載波高頻電壓。另外，該電路具有PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)電壓自動調(diào)整，輸出脈沖電壓脈寬的占空比在0至50％范圍內(nèi)變化。高頻開關(guān)電壓輸出至高頻變壓器B2，該變壓器B2根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，并且使輸出電路與電源輸入端隔離。該變壓器輸出端的橋式整流和換向開關(guān)電路組成的同步整流電路，實現(xiàn)高頻電壓向工頻電壓的轉(zhuǎn)換，換向開關(guān)電路控制脈沖采用與逆變電路同步、脈寬可調(diào)的脈沖；當(dāng)電源輸入為正半周時，無論場效應(yīng)管M1或場效應(yīng)管M2導(dǎo)通，場效應(yīng)管M5都工作在導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)管M6關(guān)斷；電源輸入為負(fù)半周時，無論場效應(yīng)管M1或場效應(yīng)管M2導(dǎo)通，場效應(yīng)管M6都工作在導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)管M5關(guān)斷；M5與M6之間開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與工頻電流同步?？煽赝秸麟娐返妮敵鲭妷旱扔陔娫措妷号c高頻變壓器B2輸出電壓之和，經(jīng)濾波后變?yōu)檎医涣麟妷?。本實施例的特點是高頻變壓器B2輸出電壓始終與電源電壓保持相同方向，控制保護電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)控?fù)Q向開關(guān)的高頻脈寬，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。因此，前面的逆變電路若采用占空比50％脈寬不可調(diào)的開關(guān)電路，僅對換向開關(guān)電路的高頻電壓的脈寬按電壓變化調(diào)整，也可達(dá)到同樣目的。
如圖22、23、24所示，本實用新型第八實施例的主回路設(shè)有由場效應(yīng)管M1、M2、M3、M4、電容C3、C31組成的半橋式交流變頻電路，由整流二極管D1、D2、D3、D4組成的橋式整流電路，高頻變壓器B2，由場效應(yīng)管M5、M6組成的換向開關(guān)，由電容C1、C2、電感L1組成的濾波電路。該交流變頻電路工作在交流狀態(tài)，采用橋式及半橋開關(guān)電路。該交流變頻電路輸入普通交流50Hz電壓，該開關(guān)電路工作在交流電源，其開關(guān)頻率為數(shù)KHz以上。當(dāng)交流變頻電路的控制端輸入正電壓時每組開關(guān)的兩只場效應(yīng)管同時導(dǎo)通，當(dāng)交流變頻電路的控制端輸入負(fù)電壓或0電壓時兩只場效應(yīng)管同時關(guān)斷。該電路通過采用PAM脈沖幅度調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)高頻脈沖電壓幅度的自動調(diào)整，電壓幅度的變化受控于交流電源的電壓，電路輸出電壓為具有50Hz的正弦調(diào)幅載波高頻電壓(如圖23所示)，該載波電壓與正弦交流電源電壓同步變化。另外，該電路具有PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能，通過PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)電壓自動調(diào)整。高頻開關(guān)電壓輸出至高頻變壓器B2。該變壓器B2根據(jù)負(fù)荷要求進行電壓轉(zhuǎn)換，并使輸出電路與電源輸入端隔離。該變壓器B2輸出端由橋式整流和換向開關(guān)電路組成的同步整流電路將高頻電壓向工頻電壓的轉(zhuǎn)換，換向開關(guān)電路控制脈沖采用與逆變電路同步、脈寬可調(diào)的脈沖；當(dāng)電源輸入為正半周時，無論場效應(yīng)管M1、M2導(dǎo)通或場效應(yīng)管M3、M4導(dǎo)通，場效應(yīng)管M5都工作在導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)管M6關(guān)斷；當(dāng)電源輸入為負(fù)半周時，無論場效應(yīng)管M1、M2導(dǎo)通或場效應(yīng)管M3、M4導(dǎo)通，場效應(yīng)管M6都工作在導(dǎo)通狀態(tài)，場效應(yīng)管M5關(guān)斷；場效應(yīng)管M5與場效應(yīng)管M6之間開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換與工頻電流同步?？煽赝秸麟娐返妮敵鲭妷旱扔陔娫措妷号c高頻變壓器B2輸出電壓之和，經(jīng)濾波后變?yōu)檎医涣麟妷?。本實施例的特點是高頻變壓器B2輸出電壓始終與電源電壓保持相同方向，控制保護電路(圖中未示)通過檢測穩(wěn)壓器輸出電壓的變化，自動調(diào)控?fù)Q向開關(guān)的高頻脈寬，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。因此，上述的交流變頻電路若采用占空比50％脈寬不可調(diào)的開關(guān)電路，僅對換向開關(guān)電路的高頻電壓的脈寬按電壓變化調(diào)整，也可達(dá)到同樣目的。
上述各實施例電路的脈寬調(diào)制可采用開關(guān)電源中所常用的各種專用集成電路，對控制方案有不同的要求可采用通用邏輯電路組合或單片機編程實現(xiàn)(圖中未示)。
上述各實施例所涉及的逆變電路、交流變頻電路，均采用半橋電路，在實際應(yīng)用中也可采用全橋電路。
權(quán)利要求1.一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，它包括用于控制變頻電路的控制保護電路、供電濾波器及輸出濾波器，其特征在于該穩(wěn)壓器還設(shè)有一變壓器，一電能轉(zhuǎn)換電路及一換向電路；其中變壓器的次級串聯(lián)在供電主回路中并與輸出濾波器并聯(lián)；電能轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接到供電濾波器的輸出端，電能轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到變壓器的初級；換向電路連接在供電主回路中；控制保護電路同時連接電能轉(zhuǎn)換電路及換向電路。
2.如權(quán)利要求1所述的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的變壓器為工頻變壓器或高頻變壓器。
3.如權(quán)利要求1所述的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的電能轉(zhuǎn)換電路為交流斬波器或直流斬波器或逆變電路或交流變頻電路。
4.如權(quán)利要求3所迷的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的直流斬波器或逆變電路中設(shè)有的濾除電源高頻成分的濾波電容，該濾波電容具有保持輸出電壓為正弦波形的較小的容值。
5.如權(quán)利要求3所述的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的交流斬波器或直流斬波器為具有脈寬調(diào)制功能的交流斬波器或直流斬波器。
6.如權(quán)利要求3所述的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的逆變電路或交流變顛電路為具有PWM脈沖幅度調(diào)制功能及PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)功能的逆變電路或交流變頻電路。
7.如權(quán)利要求1所述的交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器，其特征在于所述的換向電路為換向開關(guān)或雙向可控整流電路或交流同步整流電路。
專利摘要一種交流開關(guān)補償式穩(wěn)壓器,它包括控制保護電路、供電濾波器及輸出濾波器,一變壓器、一電能轉(zhuǎn)換電路及一換向電路;變壓器的次極串聯(lián)在供電主回路中;電能轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接到供電濾波器的輸出端,電能轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接到變壓器的初級;換向電路連接在供電主回路中;控制保護電路同時連接電能轉(zhuǎn)換電路及換向電路,該電力穩(wěn)壓器具有開關(guān)穩(wěn)壓電源的高品質(zhì)因數(shù),又有串聯(lián)補償穩(wěn)壓器的大功率輸出。
文檔編號G05F1/12GK2489367SQ0121863
公開日2002年5月1日 申請日期2001年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月20日
發(fā)明者陳一評 申請人:陳一評