專利名稱：開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，屬電力電子工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域。
目前，國內(nèi)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(dòng)調(diào)壓補(bǔ)償式電力穩(wěn)壓器為主。補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器是近年來引進(jìn)。消化、吸收國外先進(jìn)電力電子技術(shù)，發(fā)展的新產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)調(diào)壓器、補(bǔ)償變壓器及檢測控制電路組成。它自動(dòng)檢測輸出電壓，并根據(jù)實(shí)測電壓的高低，驅(qū)動(dòng)可逆伺服電機(jī)，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小。接于調(diào)壓器輸出端的補(bǔ)償變壓器輸出電壓相應(yīng)變化，由于補(bǔ)償變壓器輸出端與電源串聯(lián)，穩(wěn)壓器輸出電壓為電源電壓與補(bǔ)償電壓的矢量和，使補(bǔ)償后的輸出電壓保持穩(wěn)定。這種電路的主要特點(diǎn)是效率高，穩(wěn)壓效果好，適于作大功率電力穩(wěn)壓器，容量可達(dá)1000KVA左右。補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器目前在我國方興未艾，但產(chǎn)品仍存在的一些問題有待解決1．有載調(diào)壓器體積大，造價(jià)昂貴，消耗大量硅鋼片，電磁線。
2．應(yīng)變速度慢，由電壓變化到開始動(dòng)作需0.5秒以上，碳刷移動(dòng)調(diào)整電壓速度十分緩慢，因此在電源電壓和負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，不能及時(shí)補(bǔ)償。在電源電壓和負(fù)荷頻繁變化的場合，穩(wěn)壓效果也欠佳。
3．在頻繁的動(dòng)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。
4．由伺服電機(jī)，蝸輪蝸桿組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜維護(hù)檢修困難。
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)中已占有重要地位，AD(交流輸入直流輸出)開關(guān)穩(wěn)壓電源、DD(直流輸入直流輸出)開關(guān)穩(wěn)壓電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、電力、通信等各個(gè)領(lǐng)域。如

圖1所示，AA(交流輸入交流輸出)隔離式開關(guān)電源也在電機(jī)控制及UPS不間斷供電電源中得到應(yīng)用。IGBT、功率MOSFET器件廣泛應(yīng)用于開關(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)電源發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。目前實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高功率因數(shù)和大功率輸出已經(jīng)成為開關(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。AA(交流輸入交流輸出)開關(guān)電源目前多數(shù)采用SPWM正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)。交流電源輸入電壓經(jīng)過不可控橋式整流電路整流，及大容量電容C濾波后，變?yōu)榛酒交闹绷麟妷鹤鳛殚_關(guān)變換器電源。這種電路只有當(dāng)輸入電壓幅值大于濾波電容兩端電壓時(shí)，整流二極管才能導(dǎo)通，故導(dǎo)通時(shí)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(dòng)態(tài)功率因數(shù)調(diào)整技術(shù)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。
本實(shí)用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，其可較好的提高開關(guān)電源高功率因數(shù)，并且用小功率的器件實(shí)現(xiàn)大功率輸出，可實(shí)現(xiàn)交流正弦波大功率輸出開關(guān)穩(wěn)壓電源。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，它包括兩級整流電路和兩級開關(guān)逆變電路，相應(yīng)的脈寬調(diào)制與控制保護(hù)電路，其輸入端接LC回路濾波輸出端，輸出端接第一級開關(guān)逆變電路和二級開關(guān)逆變電路。其主回路的第一級整流輸出端直接接第一級開關(guān)逆變電路，再通過隔離變壓器接二次整流電路及二級開關(guān)逆變電路。
所述的第一級逆變主回路的開關(guān)電路可為全橋型、半橋型、單端及推挽型開關(guān)電路。
所述的第一級逆變主回路的電源橋式整流輸出端并接濾除高次諧波的小容量的電容，再接第一級開關(guān)變換電路。
所述的第二級開關(guān)變換電路輸出端直接與交流電源串聯(lián)。
所述的脈寬調(diào)制與控制保護(hù)電路輸入端一路由電流橋整流輸出接脈寬調(diào)制集成電路，脈寬調(diào)制集成電路的輸出再接第一級開關(guān)逆變電路；另一路由與電源同步的激勵(lì)電路接第二級開關(guān)逆變電路。
本實(shí)用新型主要的特點(diǎn)是1．開關(guān)電源采用PAM和PWM綜合調(diào)制，同時(shí)具有脈沖幅度調(diào)制及脈沖寬度調(diào)制兩種功能。通過脈沖幅度調(diào)制來實(shí)現(xiàn)正弦交流輸出的功能，通過脈沖寬度調(diào)制控制輸出電壓的高低。脈沖幅度調(diào)制通過特殊的供電方式來實(shí)現(xiàn)，整流輸出端不采用大容量電容濾波，只采用適當(dāng)電容濾除輸入電流的高次諧波后以脈動(dòng)直流電壓直接為開關(guān)器1供電。這種電路簡單、輸出電壓波形好、失真小且與輸入電壓完全同步，功率因數(shù)接近于1，無需采用動(dòng)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。是高功率因數(shù)開關(guān)電源的一種新方案。
2．其特征還在于應(yīng)用PAM、PWM綜合調(diào)制技術(shù)開發(fā)的“開關(guān)式交流電力穩(wěn)壓器”，采用了與傳統(tǒng)開關(guān)電源不同的輸入輸出非隔離串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)。開關(guān)式交流穩(wěn)壓器輸出功率為電源電流與輸出電壓的乘積。而此時(shí)變換器輸出功率僅為電源電流與補(bǔ)償電壓(輸出電壓與輸入電壓之差)的乘積。因此這種開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)際輸出功率可比一般開關(guān)電源輸出功率高幾倍(穩(wěn)壓范圍為額定電壓正負(fù)20％時(shí)約可擴(kuò)大至4倍以上)。
3．“開關(guān)式交流電力穩(wěn)壓器”是與目前電力穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)原理均不相同的新型穩(wěn)壓器，其特點(diǎn)還在于開關(guān)電力穩(wěn)壓器采用集成化、模塊化、高頻化的電子電源裝置，取代了傳統(tǒng)電力穩(wěn)壓器的機(jī)電裝置；取得了高速度、小型化、高效率的性能指標(biāo)和節(jié)能節(jié)材的經(jīng)濟(jì)效益。與廣泛應(yīng)用的電動(dòng)調(diào)壓補(bǔ)償式電力穩(wěn)壓器相比，其關(guān)鍵差別是開關(guān)式交流穩(wěn)壓電源工作于幾十千赫，控制的響應(yīng)時(shí)間縮短幾百、甚至幾千倍，以技術(shù)先進(jìn)的脈寬調(diào)壓代替電動(dòng)調(diào)壓器調(diào)壓，整個(gè)裝置的重量和尺寸大幅度減小，利用先進(jìn)的集成電路設(shè)置了合理可靠的過流、失壓保護(hù)，性能指標(biāo)有較大提高。用于三相電路便于分相穩(wěn)壓，可獲最佳效果。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為本實(shí)用新型的主回路電路原理圖3為本實(shí)用新型的主回路電路結(jié)構(gòu)圖；圖4為本實(shí)用新型的穩(wěn)壓控制電路原理圖。
參見圖2，圖中整流電路1為橋式不可控整流，輸出電壓作為第一級開關(guān)變換器的電源(第一級開關(guān)變換器可用全橋型、半橋型、單端或推挽型開關(guān)變換器)，開關(guān)電路工作于幾十千赫。脈沖幅度調(diào)制通過特殊的供電電壓來實(shí)現(xiàn)，整流電路1輸出端不采用大容量的電解電容，只采用適當(dāng)小容量電容濾除輸入電流的高次諧波后以脈動(dòng)直流電壓直接為開關(guān)變換器1供電，這種特殊的供電電源使開關(guān)變換器輸出具有正弦半波載波調(diào)幅高頻電壓。脈寬調(diào)制采用PWM調(diào)制專用集成電路或單片機(jī)控制，通過檢測輸出電壓大小來調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖寬度改變開關(guān)變換器的導(dǎo)通比以達(dá)穩(wěn)壓目的。一級開關(guān)變換器輸出端接高頻功率變壓器，這變壓器有兩個(gè)功能第一是根據(jù)負(fù)荷要求進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，第二是使輸出電路與電源輸入端隔離。變壓器輸出的具有正弦半波調(diào)幅載波、脈寬可調(diào)的高頻電壓，經(jīng)二次整流及二級開關(guān)變換電路完成波型轉(zhuǎn)換功能，輸出電壓經(jīng)LC回路濾波后為正弦交流電壓。
參見圖3，本實(shí)用新型的穩(wěn)壓控制技術(shù)是AA式交流輸入交流正弦波輸出的開關(guān)電源，其采用了與傳統(tǒng)開關(guān)電源不同的輸入輸出非隔離串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓技術(shù)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是開關(guān)變換電路輸出端直接與交流電源串聯(lián)補(bǔ)償穩(wěn)壓，其輸出電壓為電源電壓與開關(guān)變換器輸出電壓的矢量和。通過檢測輸出電壓調(diào)制一級開關(guān)變換器高頻電壓脈沖寬度改變補(bǔ)償電壓的大小，調(diào)控二級逆變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)序改變補(bǔ)償電壓的方向，用于降壓補(bǔ)償穩(wěn)壓或升壓補(bǔ)償穩(wěn)壓。也能通過模擬門集成電路自動(dòng)切換或單片機(jī)控制在電源過電壓及低電壓時(shí)均穩(wěn)定輸出電壓。
在本實(shí)施例中第一級開關(guān)變換器采用推挽式電路，控制部分原理如圖4所示IC2000為控制集成電路，采用TL494。脈沖頻率為30千赫(由TL494引腳5,6所接電阻電容決定)，電壓控制信號由控制變壓器取自開關(guān)電源輸出端，經(jīng)整流濾波分壓后由TL494引腳1輸入，引腳2由片內(nèi)穩(wěn)壓輸出供電，形成比較電壓，引腳3接反饋電阻，根據(jù)引腳1輸入電壓的變化，產(chǎn)生脈寬調(diào)制，可調(diào)脈寬電壓通過引腳8,11輸出至脈沖變壓器，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)(利用場效應(yīng)管做功率輸出時(shí)脈沖變壓器輸出可直接驅(qū)動(dòng)功率管，利用IGBT器件功率輸出時(shí)可選用多種專用驅(qū)動(dòng)電路)。引腳15、16一般用于過電流保護(hù)。利用引腳4高電壓輸入時(shí)禁止輸出的特性，如圖設(shè)置了高可靠性的失壓保護(hù)穩(wěn)壓電源因輸出短路而欠壓輸出時(shí)，控制變壓器輸出電壓下降，脈寬調(diào)制功能將加大脈寬輸出以維持輸出電壓的平衡，必將造成過流。但此時(shí)由于電壓過低而使線性放大電路IC201:B翻轉(zhuǎn)輸出高電壓，引腳4輸入高電壓禁止輸出脈沖，開關(guān)電源停止輸出以保護(hù)功率半導(dǎo)體器件。IC201:C為同步電路，功能是把電源的交流信號變成與之同步的方波并通過IC201:A、IC201:D兩組電路控制驅(qū)動(dòng)二級開關(guān)變換器，實(shí)現(xiàn)同步輸出。
開關(guān)式交流電力穩(wěn)壓器較好的解決了目前電力穩(wěn)壓器存在的問題，既具有開關(guān)穩(wěn)壓電源的高品質(zhì)因數(shù)，又有補(bǔ)償穩(wěn)壓器的大功率輸出，特別適應(yīng)于頻繁變化的負(fù)荷。是開關(guān)電源應(yīng)用的新發(fā)展，電力穩(wěn)壓器升級換代的理想產(chǎn)品。按目前功率半導(dǎo)體器件的實(shí)際水平在單相0。5至10KVA及三相5至1000KVA的低壓電網(wǎng)中均可推廣應(yīng)用。近幾年非晶、微晶軟磁合金材料的應(yīng)用迅速推廣，使高頻開關(guān)電源獲重大發(fā)展，開關(guān)頻率由幾十千赫提高到100千赫以上，本實(shí)用新型采用先進(jìn)的磁性材料將推出性能更加優(yōu)越的AA開關(guān)電源。
本實(shí)用新型所涉及的兩級整流電路和兩級開關(guān)逆變電路的具體電路結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)的一致。
權(quán)利要求1.一種開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，它包括兩級整流電路和兩級開關(guān)逆變電路，相應(yīng)的脈寬調(diào)制與控制保護(hù)電路，其輸入端接LC回路濾波輸出端，輸出端接第一級開關(guān)逆變電路和二級開關(guān)逆變電路，其特征在于主回路的第一級整流輸出端直接接第一級開關(guān)逆變電路，再通過隔離變壓器接二次整流電路及二級開關(guān)逆變電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，其特征在于所述的第一級逆變主回路的開關(guān)電路可為全橋型、半橋型、單端及推挽型開關(guān)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，其特征在于所述的第一級逆變主回路的電源橋式整流輸出端并接濾除高次諧波的小容量電容，再接第一級開關(guān)變換電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，其特征在于所述的第二級開關(guān)變換電路輸出端直接與交流電源串聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器，其特征在于所述的脈寬調(diào)制與控制保護(hù)電路輸入端一路由電流橋整流輸出接脈寬調(diào)制集成電路，脈寬調(diào)制集成電路的輸出再接第一級開關(guān)逆變電路；另一路由與電源同步的激勵(lì)電路接第二級開關(guān)逆變電路。
專利摘要一種開關(guān)逆變式交流電力穩(wěn)壓器,它包括兩級整流電路和兩級開關(guān)逆變電路,相應(yīng)的脈寬調(diào)制與控制保護(hù)電路,其主回路的第一級整流輸出端并接過濾高次諧波的電容,再接第一級開關(guān)逆變電路,再通過隔離變壓器接二次整流電路及二級開關(guān)逆變電路,第二級開關(guān)變換電路輸出端直接與交流電源串聯(lián),本實(shí)用新型既具有開關(guān)穩(wěn)壓電源的高品質(zhì)因數(shù),又有補(bǔ)償穩(wěn)壓器的大功率輸出,特別適應(yīng)于頻繁變化的負(fù)荷。
文檔編號G05F1/12GK2308912SQ97221238
公開日1999年2月24日 申請日期1997年7月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月16日
發(fā)明者陳一評 申請人:陳一評