用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+⊿u

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，⊿u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-⊿u，在⊿u变化时，-⊿u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+⊿u1）/A  = uS/A+⊿u1/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⊿u1/A，即uin—ur=⊿u1/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⊿u1，再通过耦合变压器将⊿u1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

来源：《电源世界》