1.引言

精密電子儀器設備廣泛應用于家庭、工業(yè)生產(chǎn)、辦公自動化、實驗研究、通信工程、醫(yī)療等領域，一般均由城市電網(wǎng)供電。城市電網(wǎng)額定電壓為單相220V，是人為規(guī)定的理想狀態(tài)的電壓。由于來自變壓器的供電線路首端電壓為（220+10%）V、尾端電壓為（220-10%）V，因而要求電氣設備具備一定的抗電網(wǎng)電壓波動的能力。盡管大部分電器設備具有抗電源電壓波動的能力，但是據(jù)統(tǒng)計，電源電壓的波動是引起電氣設備故障的原因之一，因此，這些電氣設備需要使用穩(wěn)壓電源才能保障其正常運行。

穩(wěn)壓電源是對電網(wǎng)電壓起穩(wěn)定作用的設備，在我國已應用多年，如：伺服電機帶動調(diào)壓變壓器的滑動觸點式、可變電抗器式、磁飽和式自動穩(wěn)壓電源等。

上述穩(wěn)壓電源原理上都是對電網(wǎng)電壓取樣，經(jīng)過比較處理和使用伺服電機或無觸點開關進行調(diào)整，以使交流電壓穩(wěn)定輸出。這類穩(wěn)壓電源一般穩(wěn)壓效果較差，精度在1%“0.5%。

目前的交流穩(wěn)壓電源主要存在下列問題：

（1）使用非線性電抗器往往帶來諧波，對電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量沒有改善，有的還帶有附加波形失真對電網(wǎng)造成諧波污染。

（2）采樣時間和執(zhí)行機構動作時間過長。

這兩個環(huán)節(jié)對穩(wěn)壓器性能影響較大，采樣方式一般采用有效值或平均值采樣，至少需要幾個周期；而伺服電機執(zhí)行調(diào)整動作一般需幾秒到幾十秒，時間過長且對電壓波形沒有改善作用。這些穩(wěn)壓方法，對電網(wǎng)電壓中變化速度較快的干擾諸如浪涌、下陷、脈沖干擾和高頻干擾等來不及反應和執(zhí)行，造成干擾穿過穩(wěn)壓裝置到達用電設備，對電氣設備不能起到保護作用，還可能造成電氣設備不能正常運行甚至損壞。

由此可見，在電網(wǎng)電壓發(fā)生變化和干擾時，使穩(wěn)壓電源的輸出電壓快速回到額定值附近，給電氣設備提供波形良好、幅值穩(wěn)定的正弦交流電壓，對保障其安全正常運行將有很大好處。

2. 瞬時比較交流穩(wěn)壓方法

下面介紹一種可以改善上述交流穩(wěn)壓電源不足的交流穩(wěn)壓新方法，即用瞬時比較法——波形修補技術制作交流穩(wěn)壓電源，基本原理示意如圖1。

電網(wǎng)電壓uin=額定電壓uS+⊿u

電網(wǎng)電壓uin+控制電壓uC=輸出電壓uout

圖1 波形修補技術示意圖

其中額定電壓uS是由人為規(guī)定的理想狀態(tài)的電壓，⊿u是電網(wǎng)電壓對額定電壓的偏離，不管大小，只要偏離額定電壓，可由人工制造的控制電壓uC與電網(wǎng)電壓uin進行疊加。若讓人為制作的控制電壓uC等于-⊿u，在⊿u變化時，-⊿u也隨之改變，輸入電壓uin與控制電壓uC疊加后就等于額定電壓uS。在城市電網(wǎng)中，單相額定電壓有效值為220V。

控制電壓的獲得示意如圖2所示。

對于輸入電壓引起的變化，首先將輸入電壓進行采樣，變比系數(shù)為1/A，

uin/A=（uS+⊿u1）/A = uS/A+⊿u1/A

人為制造一個參考電壓ur，與電網(wǎng)電壓同頻同相，有效值為US/A，且波形良好。輸入電壓uin的采樣值與ur比較后其差值為⊿u1/A，即uin—ur=⊿u1/A，

然后將此電壓差值和功率放大β倍。

令β=A，則被放大后的值就是⊿u1，再通過耦合變壓器將⊿u1反相疊加到電路中，此時輸出電壓就等于額定電壓，即uout=uS=Aur=βur。此時，由于β是一個放大系數(shù)，uout的性能僅與ur有關。

ur是人為產(chǎn)生的實在電壓，可由模擬或數(shù)字電路獲得，具有良好性能指標，ur的穩(wěn)定也就決定了輸出電壓的穩(wěn)定。

由以上分析看出，瞬時比較交流穩(wěn)壓方法的實質(zhì)是：采用輸入電壓與參考電壓進行瞬時比較找出其波形的不足，通過控制電壓的疊加，對輸入電壓波形進行改善和修補，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。輸出電壓的電能質(zhì)量由ur決定，波形良好、幅值穩(wěn)定；而輸入電壓僅是給電源內(nèi)部工作和穩(wěn)定的電壓輸出提供能量，使用小功率控制電壓得到大功率的穩(wěn)定輸出電壓。這樣輸出能量由電網(wǎng)提供，控制電壓僅用來修補電網(wǎng)中與額定電壓偏離的波動部分。

同樣，對于輸入電壓不變，而由于負載的變化引起輸出電壓改變時，從輸出電壓端采樣，用類似辦法調(diào)整控制電壓uC2，使控制電壓uC2改變，維持輸出電壓穩(wěn)定，而不影響輸入電壓。

方案實施中出于經(jīng)濟角度的考慮，為了簡化電路，將上述控制電壓uC1的獲得和控制電壓uC2的獲得在具體電路上合并，得到圖3所示的原理框圖。

由圖3可見，輸入電壓與參考電壓的比較值和輸出電壓與參考電壓的比較值經(jīng)加法器相加，再由電壓與功率放大電路進行放大，經(jīng)耦合變壓器得到控制電壓uC，疊加在輸入電壓與輸出電壓之間?？刂齐妷簎C主要用來修補波形、調(diào)整電源電壓，同時起到隔離輸入電源和負載的作用。

圖3 簡化電路原理框圖

3．與常規(guī)穩(wěn)壓電源的比較

用上述原理制作的穩(wěn)壓電源與常規(guī)原理制作的穩(wěn)壓電源相比有如下特點：

（1）響應速度快。由于全部選用高速線性電子器件，瞬時采樣、瞬時執(zhí)行，控制響應速度極快，毫秒級以下即可完成調(diào)整，使輸出電壓快速回到額定電壓附近。因此對于高頻干擾及噪音具有抑制作用，對毫秒級干擾有凈化作用，這是一般穩(wěn)壓電源做不到的。

（2）輸入電壓適用范圍寬。輸入電壓變化可達30%”50%甚至更多，且可以對稱調(diào)節(jié)，范圍越寬需提供修補能量越多?？刂齐妷喝≈刀嗌僦饕尚枨蠖?，從經(jīng)濟實用角度來看，取（8“10）% 為宜。

（3）穩(wěn)壓精度高。隨參考電壓的產(chǎn)生方式不同，穩(wěn)壓效果可達1%、0.1%、0.01%。不同精度的穩(wěn)壓，適用不同要求的場合。1%用于一般穩(wěn)壓要求場合；0.1%用于實驗室或重要的工業(yè)設備；0.01%可用于儀表檢定。

（4）具有綠色電源特點。該方法首先對電網(wǎng)電壓的波形進行修正，修正成良好的正弦波，再對負載進行供電，修補能量多少由需要決定。由于該方法的實質(zhì)是對電網(wǎng)波形的修正，修正后的波形失真度一般小于1% ”0.5%，因此，該種穩(wěn)壓方法是綠色的。

（5）具有一定的環(huán)保性質(zhì)。假如輸入電壓不變，由于負載性質(zhì)的不同引起輸出電壓變化，在一定的諧波范圍內(nèi)利用控制電壓的相應改變使輸出電壓不變。由于控制電壓具有隔離作用，影響不到輸入電壓，因此，該穩(wěn)壓方法具有一定的環(huán)保性。

（6）工作效率高。該電源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。輸出電壓的容量主要取自電網(wǎng)，而控制電壓一般是電網(wǎng)電壓偏離額定電壓的部分，所以只需消耗制造控制電源的功率，因此效率極高。

以300 VA 輸出電源為例：若電網(wǎng)電壓波動+10%，只需控制+10%電源波動，若制造該控制電源的效率為30%，則需制造該控制電源的消耗功率100 VA ，整機效率為300/（300+100）=75%。且制作控制電源方法效率越高，整機工作效率越高。

以采用逆變方式為例：制作0.01%高穩(wěn)定度電源，由于AC/DC、DC/AC轉(zhuǎn)換加上功放器件效率的限制，在不計其他損耗的情況下，其整體效率在30%以下。而用瞬時比較法制作同樣功率的穩(wěn)壓電源時，只需制作用于修補10%波動的控制電源的功率，即使控制電源制作也采用逆變方式，那么消耗的功率只相當于逆變方式的1/10。顯而易見，在制作高穩(wěn)定度穩(wěn)壓電源時，用瞬時比較法相比采用逆變方式的穩(wěn)壓電源的效率要高得多。

（7）不使用大電感、大電容等低頻濾波器件，體積小、重量輕，輸出波形良好，一般波形失真度在1%“0.5%。

（8）這種穩(wěn)壓器可與其他穩(wěn)壓器級聯(lián)，在使用時穩(wěn)定精度范圍設定越窄能耗越小。如前級穩(wěn)壓器穩(wěn)定精度為2%時，若需輸出5000 VA的功率 ，則只需制造100 VA 的控制電源，穩(wěn)定度可達到0.1%以上。

（9）可使用快速保護電路。當負載端瞬時短路故障時，控制電源即刻退出工作。此時，耦合變壓器相當于一個電抗器（耦合變壓器是引入控制電源的變壓器），具有限制短路電流增長的作用，故障消除后，控制電源自行恢復工作。

4．應用效果

最初使用該控制方式研制了補償式穩(wěn)壓電源，其主導思想是對電網(wǎng)電壓進行負反饋控制，穩(wěn)定度為0.1%，波形失真度為1%，功率為100VA。由于當時器件選擇受到限制，保護速度跟不上等問題，這種穩(wěn)壓電源未能得到推廣應用。在其后使用瞬時比較和波形修補技術，對原設計方案、器件選擇、快速保護投入電路等進行了優(yōu)化處理。經(jīng)多次改進和試驗，為電能表檢定制作的輸出功率300VA的交流穩(wěn)壓電源具備了實用功能，實測達到如下指標：

在輸入的電網(wǎng)電壓變化+10%時，用數(shù)字電壓表測量，輸出電壓穩(wěn)定度最大跳字不超過+0.03%/3分鐘，輸出波形失真度＜0.5%。

該穩(wěn)壓電源具有如下特點：

（1）電路全部由模擬器件組成，具有易選價廉的特點；

（2）該電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控制功率就可以實現(xiàn)300VA的功率輸出；

（3）輸出功率管不需組合管。在整機輸出功率300VA時，由于只需30VA控制功率，只用一對大功率管輸出即可，且不需要風冷式散熱；

（4）抗干擾能力強。測試中，在該電源同一房間同一供電線路上進行三相電焊作業(yè)，輸出電壓不跳字；

（5）由助手按此設計獨立自行制作的穩(wěn)壓電源具有相同的技術指標，說明該設計方法一致性很好。

5．結(jié)論：

瞬時比較法——波形修補技術制作穩(wěn)壓電源的基本原理是采用輸入電壓的采樣值與參考電壓進行比較，找出其波形的不足，再通過改變控制電壓改善和修補輸入電壓波形、穩(wěn)定幅值，達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。其實質(zhì)是利用小功率的控制電源得到大容量的穩(wěn)定電壓輸出，是一種集綠色、環(huán)保、凈化、優(yōu)質(zhì)高效于一身的交流穩(wěn)壓方法。使用該技術研制的交流穩(wěn)壓電源具有廉價、指標高、成本低、易控制的特點，還可根據(jù)需要擴展為大功率的穩(wěn)壓電源。

使用這種穩(wěn)壓方法可以為科研、電腦機房、醫(yī)療設備、工業(yè)自動化設備、通訊設備、照明系統(tǒng)、音響視聽等設備提供優(yōu)質(zhì)的交流穩(wěn)壓電源。

該交流穩(wěn)壓方法目前已申報國家專利。

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