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1、双向可逆PWM控制交流稳压电源主电路参数设计摘要：双向可逆PWM控制补偿型稳压电源具有稳压精度高、效率高、体积小等优点。但为了保证电源质量，主电路结构中电感、电容等参数的确定至关重要。通过对电路工作情况的分析，从滤波的角度出发，给出了主电路电感、电容等参数的详细计算公式，并举例计算。计算参数时，为减小体积，在满足要求时，滤波电感取小值，电容取大值；直流侧平波电容要按逆变时直流电压升高限幅来选取，为保持稳压精度，此电容尽可能取大值。关键词：补偿型稳压电源；PWM整流器；SPWM逆变器；滤波器1前言交流稳压电源种类很多，但参数调整型、自藕调整型及全功率变换型1等电磁元件体积大或电压电流谐波较大，功
2、率因数较低，因此在小容量范围内补偿型稳压电源具有技术优势。补偿型稳压电源是利用增加补偿环节实现输出电压的稳定，其优点是电路简单、补偿变压器容量小、稳压精度高、响应速度快。双PWM控制的交流稳压电源补偿功率双向流动，综合性能优异。随着微计算机处理速度越来越快成本越来越低，采用微计算机控制的双向可逆PWM控制稳压电源逐渐成为交流稳压电源设计的主流。Fig.2 Diagram of main circult of regulated Power supply图2 可调稳压电源主电路图2稳压电源主电路设计双向PWM控制的补偿型交流稳压电源的主要结构如图1所示，整流器和逆变器都采用PWM控制方式。Fig
3、.1 Struetue diagram of regulate power supply图1 可调稳压电源结构图采用PWM整流器，可以使交流侧输入功率因数为1，不会产生低次谐波污染电网，直流侧输出稳定的直流电压，且幅值高于二极管不控整流得到的直流电压值，有利于后级逆变电路的工作。逆变器采用SPWM控制方式，可以输出波形良好的正弦波电压，与市电输入电压频率相同，相位一致或相差1800，通过补偿变压器与市电串联后得到额定输出电压。2.1稳压电源主电路结构稳压电源的主电路结构如图2所示，整流和逆变均采用单相全桥变换器，开关器件采用IGBT。补偿变压器T原边与逆变器输出端相连，副边串联在市电和负载之间
4、。PWM整流器电路中2，Ls为交流侧电感，Lf1和Cf1组成直流侧二次滤波器，电解电容Cd是直流侧平波电容。SPWM逆变器电路中，Lf2和Cf2组成输出滤波器，其输出通过补偿变压器T将补偿电压与输入电压串联。2.2功率流动分析补偿变压器T的同名端如图3中标示。当时，需要一个与电网电压反相的补偿电压，作负补偿。由图示的输出电流的方向和的极性可知，能量由变压器副边流向变压器原边，经过逆变器和PWM整流器反馈到电网，PWM整流器工作在逆变状态。同理，当时，作正补偿，能量由变压器原边流向变压器副边。当系统达到稳态，负载电压为额定时，补偿电路处理的功率为 （1）2.3主电路参数计算2.3.1补偿变压器当
5、输入电压的范围为，则补偿变压器的容量为 （2）补偿变压器副边额定电压为，原边电压为，为补偿变压器变比。一般地，为留有一定裕量，逆变器直流侧电压要比输出的交流电压峰值高20%30%。PWM整流直流侧电压为，即输出交流电压应满足 （3）求得。则补偿变压器的匝比 （4）最终取整数值。2.3.2逆变器输出滤波器Lf和Cf组成逆变器输出端LC串联谐振滤波器3，谐振频率为 。PWM逆变桥输出电压波中，各次谐波次数为4，其中k为载波比，为载波频率，为工频信号波频率，n=1,3,5,时，k=0,2,4,；n=2,4,6,时，k=1,3,4,。各次谐波中幅值最高影响最大的是角频率为的谐波分量。因为载波频率要比基
6、波频率大100倍以上，所以一般取载波频率的1/10为单调谐滤波器谐振频率，此时截止频率仍远大于工频基波频率。确定了谐振频率后，还要考虑逆变器输出电流变化率。输出电流脉动值可以表示为: （5）式中，逆变器输入电压，即逆变器直流侧电压值，；逆变器输出电压；Fig.3 Schematic diagram of power flow as positive compensation图3 正补偿时功率流向结构图M调制度；Tc开关周期，即载波频率的倒数。载波比足够大时，可以近似有： （6）在时，输出电流脉动取得最大，则 （7）逆变器输出电流纹波系数为，则 （8）从而有 （9）由逆变器直流侧电压值、载波频率
7、、电流纹波系数、电源额定输出电流，可以求出Lf2和Cf2的值。输出电流纹波系数一般取。2.3.3整流器交流侧电感为了改善PWM整流系统动态特性，并不受交流侧参数的影响，PWM整流多采用直接电流控制5。其中固定开关频率的直接电流控制，开关频率固定，使得网侧变压器及交流侧电感设计较容易，有利于限制功率开关损耗，减少交流侧谐波电流含量。PWM整流器采用双极性调制时，在电流过零处，电流变化率最大，此时电感应足够小，系统要满足快速电流跟踪的要求；在电流的峰值处，谐波电流脉动最严重，此时电感应足够大，系统要满足电流脉动限值要求。 Fig.4 Diagram of current tracking besi
8、de zero-crossing图4 过零点处电流跟踪过程图电流过零点处一个开关周期的电流跟踪过程如图4所示，为PWM整流开关周期。稳态条件下，在时在时要满足快速电流跟踪要求，则 （10）其中，指令电流幅值，。联立以上3式得 （11）显然，在时，电流变化率最大，相应的交流侧电感应满足 （12）在电流峰值处，电流脉动最大。电流峰值点处一个开关周期的电流跟踪过程如图5所示。稳态条件下，在时式中，输入电压的峰值。在时稳态时，正弦波电流在峰值附近一个开关周期中应满足。PWM整流，从而有 （13）又，有 （14）假设谐波电流脉动最大允许值为，即，则电感应满足双极性调制直接电流跟踪PWM整流器，为了满足快
9、速电流跟踪要求和抑制电流谐波要求，可得电感取值范围为 （15）为减小电感体积和重量，一般交流侧电感取小值，电流脉动最大允许值取。2.3.4整流器直流侧滤波器对于单位功率因数PWM整流器，交流侧电压和电流同相位，其输入功率 （16）式中，输入电压的有效值；整流器输入电流基波有效值。电压型PWM整流器直流侧电压恒定，即瞬时值，则直流侧输出电流Fig.5 Diagram of current wave besidepeak图5 峰值处电流波形图直流侧电流以2倍的电网频率脉动，要想得到平直的输出电压，必须滤波6。直流侧滤波器由一个二次单调谐滤波器和一个平波电容组成。二次单调谐滤波器，满足 （17）直流
10、侧电流中交流分量幅值为 （18）定义谐振电容电压系数为kc，则有（19） （20）为减小电容体积，电容器额定电压选小值，一般选取谐振电容电压系数。2.3.5整流器直流侧平波电容电压型PWM整流器直流侧电容7,8用于缓冲交流侧与直流负载间的能量交换，抑制谐波，同时还用于逆变器回馈能量时稳定直流侧电压，因此需考虑多种情况来确定。1）按抑制谐波考虑若直流侧电压的纹波系数为，为纹波电压。在不加二次滤波器的情况下，电压纹波为 （21）从而有 （22）一般情况下取纹波系数。2）按逆变器回馈能量时稳定直流侧电压考虑由于电压过零信号采样的特点，单片机控制的系统，整流器和逆变器有可能状态转换相差一个周期。逆变器
11、在一个工频周期内逆变器回馈到直流侧的最大功率为，为工频，回馈能量将造成直流电压升高。如直流侧电压变化率为，则有 （23）从而有 （24）在实际取值时，可取比以上计算值中的大值稍大的电容量。3设计实践某补偿型交流稳压电源主要技术指标有为：总容量；输入电压；输出电压；效率:95%。1）补偿变压器稳压电源输出额定电流，补偿变压器容量，逆变输出额定电压，补偿变压器变比。2）PWM整流电感补偿电流幅值，电流脉动最大允许值，整流和逆变载波频率均选5kHz，则开关周期，为减小电感体积，取。3）直流侧滤波器取谐振电容电压系数，二次单调谐电容，电感。4）直流侧平波电容补偿变压器变比k=5，输出电压精度11%。按
12、抑制谐波考虑，取电压纹波系数为，则；按逆变器回馈能量考虑，取，则。二者取大值，选取。5）逆变器输出滤波器开关周期，截至频率，则，。6）效率采用RC并联缓冲软开关技术后，电源损耗主要是器件通态和补偿变压器损耗。补偿改变压器效率假设为95% ，器件通态压降取为2V，则额定负荷，最大补偿功率时损耗效率4结论双向可逆PWM控制补偿型稳压电源具有稳压精度高、效率高、体积小等优点。但为了保证电源质量，主电路结构中电感、电容等参数的确定至关重要。通过对电路工作情况的分析，从滤波的角度出发，给出了主电路电感、电容等参数的详细计算公式，并举例计算。通过分析计算，得出以下结论：1）为减小谐波，PWM变换器输入输出
13、需要有滤波装置。为减小体积，在满足要求时，滤波电感取小值，电容取大值2）直流侧平波电容要按逆变时直流电压升高限幅来选取，为保持稳压精度，此电容尽可能取大值。参考文献1张乃国.电源技术基础知识(交流稳压电源)J.UPS应用.2004.12.2刘志刚，叶斌，梁晖.电力电子学M.北京:清华大学出版社，2004.3俞扬威，金天均，谢文涛等.基于PwM逆变器的滤波器J.机电工程.2007.4王兆安，黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2008年4月第4版5张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出版社.2003.6唐丽丽，郑琼林.单相PWM整流器主电路参数选择探讨J.北方交通大学学报.2000.7王义锋.100kVA机车辅助系统用PWM整流器的研制D.北京:北京交通大学.2004.8张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制M.北京:机械工业出版社.2003.
