瞬时比较法研制交流稳压电源
瞬时比较法研制交流稳压电源
瞬时比较法研制交流稳压电源
1.引言 精密电子仪器设备广泛应用于家庭、工业生产、办公自动化、实验研究、通信工程、医疗等领域，一般均由城市电网供电。城市电网额定电压为单相220V，是人为规定的理想状态的电压。由于来自变压器的供电线路首端电压为（220+10%）V、尾端电压为（220-10%）V，因而要求电气设备具备一定的抗电网电压波动的能力。尽管大部分电器设备具有抗电源电压波动的能力，但是据统计，电源电压的波动是引起电气设备故障的原因之一，因此，这些电气设备需要使用稳压电源才能保障其正常运行。稳压电源是对电网电压起稳定作用的设备，在我国已应用多年，如：伺服电机带动调压变压器的滑动触点式、可变电抗器式、磁饱和式自动稳压电源等。上述稳压电源原理上都是对电网电压取样，经过比较处理和使用伺服电机或无触点开关进行调整，以使交流电压稳定输出。这类稳压电源一般稳压效果较差，精度在1%~0.5%。目前的交流稳压电源主要存在下列问题： （1）使用非线性电抗器往往带来谐波，对电网电压波形质量没有改善，有的还带有附加波形失真对电网造成谐波污染。（2）采样时间和执行机构动作时间过长。这两个环节对稳压器性能影响较大，采样方式一般采用有效值或平均值采样，至少需要几个周期；而伺服电机执行调整动作一般需几秒到几十秒，时间过长且对电压波形没有改善作用。这些稳压方法，对电网电压中变化速度较快的干扰诸如浪涌、下陷、脉冲干扰和高频干扰等来不及反应和执行，造成干扰穿过稳压装置到达用电设备，对电气设备不能起到保护作用，还可能造成电气设备不能正常运行甚至损坏。由此可见，在电网电压发生变化和干扰时，使稳压电源的输出电压快速回到额定值附近，给电气设备提供波形良好、幅值稳定的正弦交流电压，对保障其安全正常运行将有很大好处。 2. 瞬时比较交流稳压方法 下面介绍一种可以改善上述交流稳压电源不足的交流稳压新方法，即用瞬时比较法——波形修补技术制作交流稳压电源，基本原理示意如图1。 电网电压uin=额定电压uS+Su 电网电压uin+控制电压uC=输出电压uout
图1 波形修补技术示意图 其中额定电压uS是由人为规定的理想状态的电压，Su是电网电压对额定电压的偏离，不管大小，只要偏离额定电压，可由人工制造的控制电压uC与电网电压uin进行叠加。若让人为制作的控制电压uC等于-Su，在Su变化时，-Su也随之改变，输入电压uin与控制电压uC叠加后就等于额定电压uS。在城市电网中，单相额定电压有效值为220V。控制电压的获得示意如图2所示。 
对于输入电压引起的变化,首先将输入电压进行采样，变比系数为1/A， uin/A=（uS+Su1）/A = uS/A+Su1/A 人为制造一个参考电压ur，与电网电压同频同相，有效值为US/A，且波形良好。输入电压uin的采样值与ur比较后其差值为Su1/A，即uin—ur=Su1/A, 然后将此电压差值和功率放大β倍。令β=A，则被放大后的值就是Su1，再通过耦合变压器将Su1反相叠加到电路中，此时输出电压就等于额定电压，即uout=uS=Aur=βur。此时，由于β是一个放大系数，uout的性能仅与ur有关。 ur是人为产生的实在电压，可由模拟或数字电路获得，具有良好性能指标，ur的稳定也就决定了输出电压的稳定。由以上分析看出，瞬时比较交流稳压方法的实质是：采用输入电压与参考电压进行瞬时比较找出其波形的不足，通过控制电压的叠加，对输入电压波形进行改善和修补，从而达到稳定输出电压的目的。输出电压的电能质量由ur决定，波形良好、幅值稳定；而输入电压仅是给电源内部工作和稳定的电压输出提供能量，使用小功率控制电压得到大功率的稳定输出电压。这样输出能量由电网提供，控制电压仅用来修补电网中与额定电压偏离的波动部分。同样，对于输入电压不变，而由于负载的变化引起输出电压改变时，从输出电压端采样，用类似办法调整控制电压uC2，使控制电压uC2改变，维持输出电压稳定，而不影响输入电压。方案实施中出于经济角度的考虑，为了简化电路，将上述控制电压uC1的获得和控制电压uC2的获得在具体电路上合并，得到图3所示的原理框图。由图3可见，输入电压与参考电压的比较值和输出电压与参考电压的比较值经加法器相加，再由电压与功率放大电路进行放大，经耦合变压器得到控制电压uC，叠加在输入电压与输出电压之间。控制电压uC主要用来修补波形、调整电源电压，同时起到隔离输入电源和负载的作用。 
图3 简化电路原理框图 3．与常规稳压电源的比较 用上述原理制作的稳压电源与常规原理制作的稳压电源相比有如下特点： （1）响应速度快。由于全部选用高速线性电子器件，瞬时采样、瞬时执行，控制响应速度极快，毫秒级以下即可完成调整，使输出电压快速回到额定电压附近。因此对于高频干扰及噪音具有抑制作用，对毫秒级干扰有净化作用，这是一般稳压电源做不到的。（2）输入电压适用范围宽。输入电压变化可达30%~50%甚至更多，且可以对称调节，范围越宽需提供修补能量越多。控制电压取值多少主要由需求而定，从经济实用角度来看，取(8~10)% 为宜。（3）稳压精度高。随参考电压的产生方式不同，稳压效果可达1%、0.1%、0.01%。不同精度的稳压，适用不同要求的场合。1%用于一般稳压要求场合；0.1%用于实验室或重要的工业设备；0.01%可用于仪表检定。（4）具有绿色电源特点。该方法首先对电网电压的波形进行修正，修正成良好的正弦波，再对负载进行供电，修补能量多少由需要决定。由于该方法的实质是对电网波形的修正，修正后的波形失真度一般小于1% ~0.5%，因此，该种稳压方法是绿色的。（5）具有一定的环保性质。假如输入电压不变，由于负载性质的不同引起输出电压变化，在一定的谐波范围内利用控制电压的相应改变使输出电压不变。由于控制电压具有隔离作用，影响不到输入电压，因此，该稳压方法具有一定的环保性。（6）工作效率高。该电源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。输出电压的容量主要取自电网，而控制电压一般是电网电压偏离额定电压的部分，所以只需消耗制造控制电源的功率，因此效率极高。以300 VA 输出电源为例：若电网电压波动+10%，只需控制+10%电源波动，若制造该控制电源的效率为30%，则需制造该控制电源的消耗功率100 VA ，整机效率为300/（300+100）=75%。且制作控制电源方法效率越高，整机工作效率越高。以采用逆变方式为例：制作0.01%高稳定度电源，由于AC/DC、DC/AC转换加上功放器件效率的限制，在不计其他损耗的情况下，其整体效率在30%以下。而用瞬时比较法制作同样功率的稳压电源时，只需制作用于修补10%波动的控制电源的功率，即使控制电源制作也采用逆变方式，那么消耗的功率只相当于逆变方式的1/10。显而易见，在制作高稳定度稳压电源时，用瞬时比较法相比采用逆变方式的稳压电源的效率要高得多。（7）不使用大电感、大电容等低频滤波器件，体积小、重量轻，输出波形良好，一般波形失真度在1%~0.5%。（8）这种稳压器可与其他稳压器级联，在使用时稳定精度范围设定越窄能耗越小。如前级稳压器稳定精度为2%时，若需输出5000 VA的功率 ，则只需制造100 VA 的控制电源，稳定度可达到0.1%以上。（9）可使用快速保护电路。当负载端瞬时短路故障时，控制电源即刻退出工作。此时，耦合变压器相当于一个电抗器（耦合变压器是引入控制电源的变压器），具有限制短路电流增长的作用，故障消除后，控制电源自行恢复工作。 4．应用效果 最初使用该控制方式研制了补偿式稳压电源，其主导思想是对电网电压进行负反馈控制，稳定度为0.1%，波形失真度为1%，功率为100VA。由于当时器件选择受到限制，保护速度跟不上等问题，这种稳压电源未能得到推广应用。在其后使用瞬时比较和波形修补技术，对原设计方案、器件选择、快速保护投入电路等进行了优化处理。经多次改进和试验，为电能表检定制作的输出功率300VA的交流稳压电源具备了实用功能，实测达到如下指标： 在输入的电网电压变化+10%时，用数字电压表测量，输出电压稳定度最大跳字不超过+0.03%/3分钟，输出波形失真度0.5%。该稳压电源具有如下特点： （1）电路全部由模拟器件组成，具有易选价廉的特点； （2）该电源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。只需制作30 VA控制功率就可以实现300VA的功率输出； （3）输出功率管不需组合管。在整机输出功率300VA时，由于只需30VA控制功率，只用一对大功率管输出即可，且不需要风冷式散热； （4）抗干扰能力强。测试中，在该电源同一房间同一供电线路上进行三相电焊作业，输出电压不跳字； （5）由助手按此设计独立自行制作的稳压电源具有相同的技术指标，说明该设计方法一致性很好。 5．结论： 瞬时比较法——波形修补技术制作稳压电源的基本原理是采用输入电压的采样值与参考电压进行比较，找出其波形的不足，再通过改变控制电压改善和修补输入电压波形、稳定幅值，达到输出电压稳定的目的。其实质是利用小功率的控制电源得到大容量的稳定电压输出，是一种集绿色、环保、净化、优质高效于一身的交流稳压方法。使用该技术研制的交流稳压电源具有廉价、指标高、成本低、易控制的特点，还可根据需要扩展为大功率的稳压电源。使用这种稳压方法可以为科研、电脑机房、医疗设备、工业自动化设备、通讯设备、照明系统、音响视听等设备提供优质的交流稳压电源。该交流稳压方法目前已申报国家专利。
瞬时比较法研制交流稳压电源
1.引言 精密电子仪器设备广泛应用于家庭、工业生产、办公自动化、实验研究、通信工程、医疗等领域，一般均由城市电网供电。城市电网额定电压为单相220V，是人为规定的理想状态的电压。由于来自变压器的供电线路首端电压为（220+10%）V、尾端电压为（220-10%）V，因而要求电气设备具备一定的抗电网电压波动的能力。尽管大部分电器设备具有抗电源电压波动的能力，但是据统计，电源电压的波动是引起电气设备故障的原因之一，因此，这些电气设备需要使用稳压电源才能保障其正常运行。稳压电源是对电网电压起稳定作用的设备，在我国已应用多年，如：伺服电机带动调压变压器的滑动触点式、可变电抗器式、磁饱和式自动稳压电源等。上述稳压电源原理上都是对电网电压取样，经过比较处理和使用伺服电机或无触点开关进行调整，以使交流电压稳定输出。这类稳压电源一般稳压效果较差，精度在1%~0.5%。目前的交流稳压电源主要存在下列问题： （1）使用非线性电抗器往往带来谐波，对电网电压波形质量没有改善，有的还带有附加波形失真对电网造成谐波污染。（2）采样时间和执行机构动作时间过长。这两个环节对稳压器性能影响较大，采样方式一般采用有效值或平均值采样，至少需要几个周期；而伺服电机执行调整动作一般需几秒到几十秒，时间过长且对电压波形没有改善作用。这些稳压方法，对电网电压中变化速度较快的干扰诸如浪涌、下陷、脉冲干扰和高频干扰等来不及反应和执行，造成干扰穿过稳压装置到达用电设备，对电气设备不能起到保护作用，还可能造成电气设备不能正常运行甚至损坏。由此可见，在电网电压发生变化和干扰时，使稳压电源的输出电压快速回到额定值附近，给电气设备提供波形良好、幅值稳定的正弦交流电压，对保障其安全正常运行将有很大好处。 2. 瞬时比较交流稳压方法 下面介绍一种可以改善上述交流稳压电源不足的交流稳压新方法，即用瞬时比较法——波形修补技术制作交流稳压电源，基本原理示意如图1。 电网电压uin=额定电压uS+Su 电网电压uin+控制电压uC=输出电压uout
图1 波形修补技术示意图 其中额定电压uS是由人为规定的理想状态的电压，Su是电网电压对额定电压的偏离，不管大小，只要偏离额定电压，可由人工制造的控制电压uC与电网电压uin进行叠加。若让人为制作的控制电压uC等于-Su，在Su变化时，-Su也随之改变，输入电压uin与控制电压uC叠加后就等于额定电压uS。在城市电网中，单相额定电压有效值为220V。控制电压的获得示意如图2所示。 对于输入电压引起的变化,首先将输入电压进行采样，变比系数为1/A， uin/A=（uS+Su1）/A = uS/A+Su1/A 人为制造一个参考电压ur，与电网电压同频同相，有效值为US/A，且波形良好。输入电压uin的采样值与ur比较后其差值为Su1/A，即uin—ur=Su1/A, 然后将此电压差值和功率放大β倍。令β=A，则被放大后的值就是Su1，再通过耦合变压器将Su1反相叠加到电路中，此时输出电压就等于额定电压，即uout=uS=Aur=βur。此时，由于β是一个放大系数，uout的性能仅与ur有关。 ur是人为产生的实在电压，可由模拟或数字电路获得，具有良好性能指标，ur的稳定也就决定了输出电压的稳定。由以上分析看出，瞬时比较交流稳压方法的实质是：采用输入电压与参考电压进行瞬时比较找出其波形的不足，通过控制电压的叠加，对输入电压波形进行改善和修补，从而达到稳定输出电压的目的。输出电压的电能质量由ur决定，波形良好、幅值稳定；而输入电压仅是给电源内部工作和稳定的电压输出提供能量，使用小功率控制电压得到大功率的稳定输出电压。这样输出能量由电网提供，控制电压仅用来修补电网中与额定电压偏离的波动部分。同样，对于输入电压不变，而由于负载的变化引起输出电压改变时，从输出电压端采样，用类似办法调整控制电压uC2，使控制电压uC2改变，维持输出电压稳定，而不影响输入电压。方案实施中出于经济角度的考虑，为了简化电路，将上述控制电压uC1的获得和控制电压uC2的获得在具体电路上合并，得到图3所示的原理框图。由图3可见，输入电压与参考电压的比较值和输出电压与参考电压的比较值经加法器相加，再由电压与功率放大电路进行放大，经耦合变压器得到控制电压uC，叠加在输入电压与输出电压之间。控制电压uC主要用来修补波形、调整电源电压，同时起到隔离输入电源和负载的作用。 图3 简化电路原理框图 3．与常规稳压电源的比较 用上述原理制作的稳压电源与常规原理制作的稳压电源相比有如下特点： （1）响应速度快。由于全部选用高速线性电子器件，瞬时采样、瞬时执行，控制响应速度极快，毫秒级以下即可完成调整，使输出电压快速回到额定电压附近。因此对于高频干扰及噪音具有抑制作用，对毫秒级干扰有净化作用，这是一般稳压电源做不到的。（2）输入电压适用范围宽。输入电压变化可达30%~50%甚至更多，且可以对称调节，范围越宽需提供修补能量越多。控制电压取值多少主要由需求而定，从经济实用角度来看，取(8~10)% 为宜。（3）稳压精度高。随参考电压的产生方式不同，稳压效果可达1%、0.1%、0.01%。不同精度的稳压，适用不同要求的场合。1%用于一般稳压要求场合；0.1%用于实验室或重要的工业设备；0.01%可用于仪表检定。（4）具有绿色电源特点。该方法首先对电网电压的波形进行修正，修正成良好的正弦波，再对负载进行供电，修补能量多少由需要决定。由于该方法的实质是对电网波形的修正，修正后的波形失真度一般小于1% ~0.5%，因此，该种稳压方法是绿色的。（5）具有一定的环保性质。假如输入电压不变，由于负载性质的不同引起输出电压变化，在一定的谐波范围内利用控制电压的相应改变使输出电压不变。由于控制电压具有隔离作用，影响不到输入电压，因此，该稳压方法具有一定的环保性。（6）工作效率高。该电源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。输出电压的容量主要取自电网，而控制电压一般是电网电压偏离额定电压的部分，所以只需消耗制造控制电源的功率，因此效率极高。以300 VA 输出电源为例：若电网电压波动+10%，只需控制+10%电源波动，若制造该控制电源的效率为30%，则需制造该控制电源的消耗功率100 VA ，整机效率为300/（300+100）=75%。且制作控制电源方法效率越高，整机工作效率越高。以采用逆变方式为例：制作0.01%高稳定度电源，由于AC/DC、DC/AC转换加上功放器件效率的限制，在不计其他损耗的情况下，其整体效率在30%以下。而用瞬时比较法制作同样功率的稳压电源时，只需制作用于修补10%波动的控制电源的功率，即使控制电源制作也采用逆变方式，那么消耗的功率只相当于逆变方式的1/10。显而易见，在制作高稳定度稳压电源时，用瞬时比较法相比采用逆变方式的稳压电源的效率要高得多。（7）不使用大电感、大电容等低频滤波器件，体积小、重量轻，输出波形良好，一般波形失真度在1%~0.5%。（8）这种稳压器可与其他稳压器级联，在使用时稳定精度范围设定越窄能耗越小。如前级稳压器稳定精度为2%时，若需输出5000 VA的功率 ，则只需制造100 VA 的控制电源，稳定度可达到0.1%以上。（9）可使用快速保护电路。当负载端瞬时短路故障时，控制电源即刻退出工作。此时，耦合变压器相当于一个电抗器（耦合变压器是引入控制电源的变压器），具有限制短路电流增长的作用，故障消除后，控制电源自行恢复工作。 4．应用效果 最初使用该控制方式研制了补偿式稳压电源，其主导思想是对电网电压进行负反馈控制，稳定度为0.1%，波形失真度为1%，功率为100VA。由于当时器件选择受到限制，保护速度跟不上等问题，这种稳压电源未能得到推广应用。在其后使用瞬时比较和波形修补技术，对原设计方案、器件选择、快速保护投入电路等进行了优化处理。经多次改进和试验，为电能表检定制作的输出功率300VA的交流稳压电源具备了实用功能，实测达到如下指标： 在输入的电网电压变化+10%时，用数字电压表测量，输出电压稳定度最大跳字不超过+0.03%/3分钟，输出波形失真度0.5%。该稳压电源具有如下特点： （1）电路全部由模拟器件组成，具有易选价廉的特点； （2）该电源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。只需制作30 VA控制功率就可以实现300VA的功率输出； （3）输出功率管不需组合管。在整机输出功率300VA时，由于只需30VA控制功率，只用一对大功率管输出即可，且不需要风冷式散热； （4）抗干扰能力强。测试中，在该电源同一房间同一供电线路上进行三相电焊作业，输出电压不跳字； （5）由助手按此设计独立自行制作的稳压电源具有相同的技术指标，说明该设计方法一致性很好。 5．结论： 瞬时比较法——波形修补技术制作稳压电源的基本原理是采用输入电压的采样值与参考电压进行比较，找出其波形的不足，再通过改变控制电压改善和修补输入电压波形、稳定幅值，达到输出电压稳定的目的。其实质是利用小功率的控制电源得到大容量的稳定电压输出，是一种集绿色、环保、净化、优质高效于一身的交流稳压方法。使用该技术研制的交流稳压电源具有廉价、指标高、成本低、易控制的特点，还可根据需要扩展为大功率的稳压电源。使用这种稳压方法可以为科研、电脑机房、医疗设备、工业自动化设备、通讯设备、照明系统、音响视听等设备提供优质的交流稳压电源。该交流稳压方法目前已申报国家专利。
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