电源工程师设计全攻略（四）：交流稳压电源设计

  稳压电源包括直流稳压电源和交流稳压电源两种，交流稳压电源是能够为负载提供稳定交流电源的电子装置，也称交流稳压器。交流稳压电源目前已大范围的应用于工业自动化，成套设备、数字控制机床、轻纺、医疗、宾馆、广播电视、通讯设备等各种需要电压稳定的场合。以上使用场合如配接计算机远程通讯接口，还可实现远端对电源稳压器的遥控、遥信和遥测。

  ① 铁磁谐振式交流稳压器：利用饱和扼流圈与相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构相对比较简单，制 造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠，过载能力较强。但波形失真较大，稳定度不高。近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压功 能的电源装置。它与磁饱和式稳压器的不同之处在于磁路结构及形式的不同，而基本工作原理则相同。它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重功能，所以优于普通电源变 压器和磁饱和稳压器。

  ②磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。这类稳压器带有反馈控制的闭环系统，所以稳定度高，输出波形好。但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间比较久。又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。

  ③感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交流电压获得稳定的装置。它在结构上类似 绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。另 因铜、铁用料多，故较少生产。

  ④晶闸管交流稳压器：用晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。它具有稳定度高、反应快、无噪声等优点。但因对市电波形有损害，对通信设施和电子设备造成干扰。

  滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特别的条件。但稳定度较低，恢复时间较长。

  随着电源技术的发展，80年代又出现了下列3种新型交流稳压电源。①补偿式交流稳压器：又称部分调整式稳压器。利用补偿变压器的附加电压串接在电源与负载之间，随着输入电压的高低，用断续式的交流开关（接触器或晶闸管）或用连续式的伺服电动机来改变附加电压的大小或极 性，把输入电压高出部分（或不足部分）减去（或加上），进而达到稳压目的。补偿变压器容量仅为输出功率的1/7左右，具有结构相对比较简单、造价低廉的优点，但稳 定度不高。②数控式交流稳压器和步进式稳压器：由逻辑元件或微处理机构成控制电路，按输入电压高低转换变压器初级匝数，使输出电压获得稳定。③静化式交流稳压器：由于拥有非常良好的隔离作用，能消除来自电网的尖峰干扰而得到应用。电保镖稳压器

  在市电电压为150V~300V范围内变化时本电路均可以准确、快捷地调整输出电压。

  电路如图所示。市电经过L1进入VD1~VD4全桥整流以后加在晶闸管VT上，VT的导通角受到BT33的控制。BT33、C、R1、R2、R3和KP组成一个张弛振荡器，改变KP能改变振荡周期。

  当市电电压升高时，加在BT33上的电压相应升高，振荡加快，VT导通角减小，VT上的电压升高，使L1上的电压不变；反之VT上的电压降时L1上的电压 仍然不变；于是经过L2耦合后的电压也就保持恒定。由于采用了全桥整流，L1、L2上的电压都是正弦波。

  VD1~VD4和VT上的电流要根据变压器的容量选取且要有较大余量，耐压均应在600V以上。R1、R2选用3W电阻，KP最好选用2W以上的可调电阻。

  采用增强型脉宽调制EPWM控制策略的无触点斩波式交流稳压器的简化原理电路如图所示，它主要由主电路和控制电路两部分所组成的。主电路由桥式斩波器T1到T4及其输出串联补偿变压器Tr、直流整流电路D1到D4和交流输出滤波器Lf、Cf组成。桥式斩波器通过其输出串联补偿变压器Tr的次级串联在市电电源与负载之间，以便对市电电压的波 动进行正负补偿。桥式斩波器输出电压中的谐波，由输出滤波器Lf、Cf来滤除。桥式斩波器所需的直流整流电源，由取自稳压电源输出端的市电电源，通过二极管整流电路D1到D4来供给。这里应指出的是，EPWM桥式斩波器电路T1到T4并不是工作在通常的逆变状态，而是工作在桥式斩波状态。这是由它的EPWM工作方式、直流电源电压波形和直流电容Cd值的大小及其功能来区分的。如图所示，桥式斩波器的直流电压，不是通过电容Cd把整流电压滤波成恒定平滑的直流电压，而仍然为单相桥式整流未经滤波的波形，可参考图6b）。也就是说，直流电容Cd的值较小，不再具有直流滤波功能，而仅仅是为了创造一个续流通路而设置的。由于斩波器的开关频率较高，所以在一个续流周期内的续流能量是很小的，因此Cd的值也很小。Cd的充放电 速度很快，不可能影响整流电压的上升和下降速度，使Cd上的电压波形与滤波前的整流电压波形相同。也就是说，Cd只有续流功能，不再具有滤波功能，因此Cd对整流波形不产生一定的影响。桥式斩波器T1到T4是工作在EPWM斩波状态， 而不是工作在逆变状态。

  补偿式稳压器方式1、方式2的工作原理见图1、图2。图中T1为补偿变压器，其二次绕组串联在输入电源回路中。T2为接触式调压器，其抽头2和滑动触电构成调压器的输出，接于补偿变压器的一次绕组。M为伺服电机，电子控制器检测输出电压与额定值的偏差，从而驱动伺服电机，伺服电机带动调压器的电刷转动，以改变调压器抽头2和滑动点的输出电压，即补偿变压器T1的一次绕组的输入电压，也就改变了T1的二次绕组的输出电压，实现电压补偿进而达到稳压的目的。

  当输入电压低于标称电压220V时，调压器的滑动触点在抽头2和3之间移动，输入电压越低，滑动触点越向3移动，调压器的输出电压越高，补偿电压U2也就越大，由于此时补偿变压器T1的二次绕组补偿电压U2与输入电压Uin相同，U2对输入电压进行了补偿。当输入电压高于标称电压220V时，调压器的滑动触点在抽头1和2之间滑动，输入电压越高，滑动触点越向1移动，反向补偿电压U2也越大，由于此时补偿变压器T1的二次绕组不补偿电压U2与输入电压Uin反向，输出电压Uout=Uin-U2l;U2对输入电压进行了反相补偿，使输出电压降低，达到稳压输出的目的。

  所示为PI一2型晶体管调节器原理图，该调节器电压调节部分主要由V1、V2、V3、V4和Vw组成。该调节器具有充电指示灯H电路外，还有如下特点：采用了两只NPN型三极管与稳压管Vw串联有二极管V6，用以对Vw进行温度补偿;装有正反馈电阻R9，以加速晶体管工作状况的转换过程；电容器C1用以降低开关的频率，提高晶体管工作的稳定性。由于这些特点，使PH一2的性能大大改进。

  当发电机电压低于调节电压时，Vw不被击穿，V1无基极电流而截止，V2基极处于高电位，V2导通，从而使V3导通，发电机的激磁回路被接通。同时、由于V3导通，其集电极电压很高，该电压通过R10加到V5的基极，使V5导通。

  V4也通过R13导通，接通指示灯电路，充电指示灯亮。 当发电机电压高于调节电压时，Vw被击穿，V1有基流而导通，使V2的基极为低电位而截止，V3也截止。V3截止后其集电极为负电位，从而V5无基流而截止，V4也截止，充电指示灯的电路被切断，指示灯熄灭。当调节器进入正常调节状态时，V3的截止与导通不断转换，其基极上是幅值约为l4V的矩形交变电压，该电压经R11、、C4加到由二极管V9、V1组成的整流器上，使正半波通过V9负半波流过V10并使电容器C5充电。来自C5的负电压经V11、V12限制在15~16V左右，加到V5基极，使V5截止，故V4也截止，充电指示灯灭。因此当发电机电压高于调节电压后，充电指示灯灭，指示发电机已在充电。

  下期《电源工程师设计全攻略（五）：电源设计工具》 精彩抢先看：1、各大厂商最新的电源设计软件；2、主流电源设计工具优缺点大比拼。