采用瞬时比较和波形修正的交流稳压方法及其交流稳压装置

摘要

本发明涉及一种采用瞬时比较和波形修正的交流稳压方法及其交流稳压装置，本发明的交流稳压方法是利用稳压电路产生一个与电网电压波动幅值相等、方向相反的控制电压，以抵消电网电压的波动。本发明的交流稳压装置由电网电压稳压电路和输出电压稳压电路组成；电网电压稳压电路由第一采样器、第一比较器、第一放大器、第一反向耦合变压器、参考电压组成；输出电压稳压电路由第二采样器、第二比较器、第二放大器、第二反向耦合变压器和所述参考电压组成。本发明的有益效果是响应速度快、输入电压适用范围宽、稳压精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用瞬时比较和波形修正的交流稳压方法及其交流稳压装置。

背景技术

电源电压的波动是引起电器设备故障的原因之一，因此，有些电器设备需要使用稳压电源才能保障其正常运行。目前，常用的稳压电源有伺服电机带动调压变压器的滑动触点式、可变电抗器式、磁饱和式的自动稳压电源等。

上述稳压电源原理上都是对电网电压取样，然后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，稳压精度在1％～0.5％左右，还存在下列问题：

(1)使用非线性电抗器件往往带来谐波，对电网电压波形没有改善，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。一般采用有效值或平均值采样，至少需要几个周期；而执行调整动作时间过长，如伺服电机动作一般需几秒到几十秒，且对电压波形没有改善作用。这些稳压电源，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，对电器设备不能起到保护作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种响应速度快、输入电压适用范围宽、稳压精度高的采用瞬时比较和波形修正的交流稳压方法及其交流稳压装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

(一)技术方案1(采用瞬时比较和波形修正的交流稳压方法)：

其方法步骤如下：

(1)首先由信号发生器产生一个与电网电压同频、同相的幅值稳定的正弦波参考电压

(2)对电网电压的波动进行稳压

a.利用第一采样器对电网电压进行采样，第一采样器的变比系数为1/A，第一采样器的采集值为

取：$A={\stackrel{·}{U}}_s/{\stackrel{·}{U}}_r---\left(1\right)$

电网额定电压；

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1---\left(2\right)$

其中：电网电压

电网额定电压，电网规定的理想状态下的电压Δu₁：电网电压与电网额定电压的偏离值；

b.将第一采样器采集的采集值与参考电压在第一比较器中进行瞬时比较，其差值为

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}/A-{\stackrel{·}{U}}_r=({\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1)/A-{\stackrel{·}{U}}_s/A={\mathrm{\Delta u}}_1/A---\left(3\right)$

c.将第一比较器的输出电压Δu₁/A在第一放大器中进行放大，取第一放大器的放大倍数β₁＝A，因此，第一放大器的输出电压为(Δu₁/A)*β₁＝Δu₁；

d.将第一放大器的输出电压Δu₁经变比为1∶1的第一反向耦合变压器得到的控制电压${\stackrel{·}{U}}_{c1}=-{\mathrm{\Delta u}}_1$叠加到电网输入电路中，得到输出电压

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}+{\stackrel{·}{U}}_{c1}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\Delta u}}_1---\left(4\right)$

将公式(2)代入公式(4)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s---\left(5\right)$

将公式(1)和β₁＝A代入公式(5)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\beta }_1{\stackrel{·}{U}}_r---\left(6\right)$

(3)假设在电网电压等于电网额定电压的情况下，对输出电压的波动进行稳压

a.利用第二采样器对输出电压进行采样，第二采样器的变比系数为1/A；第二采样器的采样值为

取：$A={\stackrel{·}{U}}_s/{\stackrel{·}{U}}_r---\left(7\right)$

电网额定电压；

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2---\left(8\right)$

Δu₂：输出电压与电网额定电压的偏离值；

b.将第二采样器的采集值与参考电压在第二比较器中进行比较，其差值为

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}/A-{\stackrel{·}{U}}_r=({\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2)/A-{\stackrel{·}{U}}_s/A={\mathrm{\Delta u}}_2/A---\left(9\right);$

c.将第二比较器的输出电压Δu₂/A在第二放大器中进行放大，取第二放大器的放大倍数β₂＝A，因此，第二放大器的输出电压为(Δu₂/A)*β₂＝Δu₂；

d.将第二放大器的输出电压Δu₂经变比为1∶1的第二反向耦合变压器得到的控制电压${\stackrel{·}{U}}_{c2}=-{\mathrm{\Delta u}}_2$叠加到输出电路中，得到输出电压

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2+{\stackrel{·}{U}}_{c2}={\stackrel{·}{U}}_s---\left(10\right)$

将公式(7)和β₂＝A代入公式(10)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\beta }_2{\stackrel{·}{U}}_r---\left(11\right).$

(二)技术方案2(采用瞬时比较和波形修正的交流稳压装置)：

本交流稳压装置由电网电压稳压电路和输出电压稳压电路组成；电网电压稳压电路由第一采样器、第一比较器、第一放大器、第一反向耦合变压器、参考电压组成；第一采样器的输入端与电网电压并联，第一采样器的输出端接第一比较器的输入端，参考电压接第一比较器的另一个输入端，比较器的输出端经第一放大器接第一反向耦合变压器的输入端，第一反向耦合变压器的输出端与电网电压串联；

输出电压稳压电路由第二采样器、第二比较器、第二放大器、第二反向耦合变压器、所述参考电压组成；第二采样器的输入端与输出电压并联，第二采样器的输出端接第二比较器的输入端，所述参考电压接第二比较器的另一个输入端，第二比较器的输出端经第二放大器接第二反向耦合变压器的输入端，第二反向耦合变压器的输出端与输出电压串联；

所述参考电压为由信号发生器产生的与电网电压同频、同相的幅值稳定的正弦波。

本发明的有益效果如下：

(1)响应速度快。由于选用高速电子器件，瞬时采样、瞬时执行，控制响应速度极快，毫秒级以下即可完成调整，因此对于高频干扰及噪音具有抑制作用，对毫秒级干扰有净化作用，这是一般稳压电源做不到的。

(2)输入电压适用范围宽。可达30％～50％甚至更多，且对称调节，范围越宽需提供修补能量越多。控制电压取值多少主要由需求而定，从经济实用角度来看，取(8～10)％为宜。

(3)稳压精度高。随参考电压的不同，稳压精度可达1％、0.1％、0.01％。不同精度的稳压，适用不同要求的场合。

稳压精度为1％用于一般稳压要求场合；稳压精度为0.1％用于实验室或重要的工业设备；稳压精度为0.01％可用于仪表检定。

(4)具有绿色电源的特征。该方法首先对电网电压的波形不足部分进行修正，修正成良好的正弦波，再对负载进行供电。需多少补多少，修补能量多少是由需要决定的。由于该方法是对电网波形的修补，修正好的波形失真度一般小于1％或0.5％，因此说，该稳压方法是绿色的。

(5)具有环保电源的性质。假如输入电压不变，由于负载性质的不同引起输出电压变化，在一定的谐波范围内利用控制电压的相应改变使输出电压不变，由于控制电压具有隔离作用，影响不到电网电压。因此，该种稳压方法具有环保性。

(6)工作效率高。该电源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。输出电压的容量主要取自电网，而控制电压一般是电网电压偏离额定电压的部分，所以只需消耗制造控制电源的功率，因此效率高。

(7)不使用大电感、大电容等低频滤波器件，相对而言整机体积较小，输出波形良好。

(8)该稳压原理可与其它稳压器级联。

(9)可使用快速保护电路。当负载端瞬时短路故障时，控制电源即刻退出工作，此时，反向耦合变压器相当于一个电抗器，具有限制短路电流增长的作用，故障消除后，控制电源自行恢复工作。

附图说明

图1为本发明交流稳压方法的原理示意图。

图2为本发明的原理方块图。

图3为本发明交流稳压装置的电路原理图。

具体实施方式

实施例1(交流稳压方法的实施例)：

如图1、2所示，本发明交流稳压方法的方法步骤如下：

(1)首先由信号发生器产生一个与电网电压同频、同相的幅值稳定的正弦波参考电压

(2)对电网电压的波动进行稳压

a.利用第一采样器对电网电压进行采样，第一采样器的变比系数为1/A，第一采样器的采集值为

取：$A={\stackrel{·}{U}}_s/{\stackrel{·}{U}}_r---\left(1\right)$

电网额定电压；

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1---\left(2\right)$

其中：电网电压

电网额定电压，电网规定的理想状态下的电压

Δu₁：电网电压与电网额定电压的偏离值；

b.将第一采样器采集的采集值与参考电压在第一比较器中进行瞬时比较，其差值为

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}/A-{\stackrel{·}{U}}_r=({\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1)/A-{\stackrel{·}{U}}_s/A={\mathrm{\Delta u}}_1/A---\left(3\right)$

c.将第一比较器的输出电压Δu₁/A在第一放大器中进行放大，取第一放大器的放大倍数β₁＝A，因此，第一放大器的输出电压为(Δu₁/A)*β₁＝Δu₁；

d.将第一放大器的输出电压Δu₁经变比为1∶1的第一反向耦合变压器得到的控制电压${\stackrel{·}{U}}_{c1}=-{\mathrm{\Delta u}}_1$叠加到电网输入电路中，得到输出电压

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}+{\stackrel{·}{U}}_{c1}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\Delta u}}_1---\left(4\right)$

将公式(2)代入公式(4)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s---\left(5\right)$

将公式(1)和β₁＝A代入公式(5)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\beta }_1{\stackrel{·}{U}}_r---\left(6\right);$

(3)假设在电网电压等于电网额定电压的情况下，对输出电压的波动进行稳压

a.利用第二采样器对输出电压进行采样，第二采样器的变比系数为1/A；第二采样器的采样值为

取：$A={\stackrel{·}{U}}_s/{\stackrel{·}{U}}_r---\left(7\right)$

电网额定电压；

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2---\left(8\right)$

Δu₂：输出电压与电网额定电压的偏离值；

b.将第二采样器的采集值与参考电压在第二比较器中进行比较，其差值为

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}/A-{\stackrel{·}{U}}_r=({\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2)/A-{\stackrel{·}{U}}_s/A={\mathrm{\Delta u}}_2/A---\left(9\right);$

c.将第二比较器的输出电压Δu₂/A在第二放大器中进行放大，取第二放大器的放大倍数β₂＝A，因此，第二放大器的输出电压为(Δu₂/A)*β₂＝Δu₂；

d.将第二放大器的输出电压Δu₂经变比为1∶1的第二反向耦合变压器得到的控制电压${\stackrel{·}{U}}_{c2}=-{\mathrm{\Delta u}}_2$叠加到输出电路中，得到输出电压

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_2+{\stackrel{·}{U}}_{c2}={\stackrel{·}{U}}_s---\left(10\right)$

将公式(7)和β₂＝A代入公式(10)得：

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\beta }_2{\stackrel{·}{U}}_r---\left(11\right).$

本发明方法的原理如图1所示：

在图1中，${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1$

电网电压

电网额定电压，单相交流电的额定电压有效值为220V

Δu₁：电网电压与电网额定电压的偏离值

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}+{\stackrel{·}{U}}_{c1}$

输出电压

控制电压

当控制电压${\stackrel{·}{U}}_{c1}=-{\mathrm{\Delta u}}_1$时，

${\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{out}}={\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{in}}+{\stackrel{·}{U}}_{c1}={\stackrel{·}{U}}_s+{\mathrm{\Delta u}}_1-{\mathrm{\Delta u}}_1={\stackrel{·}{U}}_s$

由上式可以得出：当控制电压的幅值等于电网电压的波动值Δu₁、并且方向相反时，输出电压等于电网额定电压本发明的方法就是通过稳压电路产生一个上述的控制电压使输出电压与电网电压的波动无关。

实施例2(交流稳压装置)：

由图2、3可知，本实施例2所述的交流稳压装置由电网电压稳压电路和输出电压稳压电路组成；电网电压稳压电路由第一采样器、第一比较器、第一放大器、第一反向耦合变压器、参考电压组成；第一采样器的输入端与电网电压并联，第一采样器的输出端接第一比较器的输入端，参考电压接第一比较器的另一个输入端，比较器的输出端经第一放大器接第一反向耦合变压器的输入端，第一反向耦合变压器的输出端与电网电压串联；

输出电压稳压电路由第二采样器、第二比较器、第二放大器、第二反向耦合变压器、所述参考电压组成；第二采样器的输入端与输出电压并联，第二采样器的输出端接第二比较器的输入端，所述参考电压接第二比较器的另一个输入端，第二比较器的输出端经第二放大器接第二反向耦合变压器的输入端，第二反向耦合变压器的输出端与输出电压串联；

所述参考电压为由信号发生器产生的与电网电压同频、同相的幅值稳定的正弦波。

所述电网电压稳压电路的第一采样器由电压互感器T1组成，电压互感器T1的变比系数为1/A，电压互感器T1的初级与电网电压并联；

所述第一比较器由运算放大器IC1、电阻R1～R4组成，运算放大器IC1的负向输入端2脚经电阻R1接电压互感器T1次级的一端，电压互感器T1次级的另一端接地，运算放大器IC1的正向输入端3脚经电阻R2接参考电压的一端，参考电压的另一端接地，电阻R4接在运算放大器IC1的3脚与地之间，电阻R3接在运算放大器IC1的2脚与6脚与地之间；

所述第一放大器由电压放大器和功率放大器组成，第一放大器的放大倍数β₁＝A；所述电压放大器由运算放大器IC2、电阻R5～R7组成，运算放大器IC2的负向输入端2脚经电阻R5接运算放大器IC1的输出端6脚，电阻R7接在运算放大器IC2的3脚与地之间，电阻R6接在运算放大器IC2的2脚与6脚之间；所述功率放大器为由晶体管Q1、Q2、耦合变压器T2、电阻R8～R10组成的推挽放大器，耦合变压器T2的初级接在运算放大器IC2的输出端6脚与地之间，耦合变压器T2的次级分别接晶体管Q1和Q2的基极，耦合变压器T2次级的中心抽头分别经电阻R8和R9接+EC和地；晶体管Q1和Q2的发射极并联后经电阻R10接地；晶体管Q1和Q2的集电极分别接所述第一反向耦合变压器T3(其变比系数为1∶1)的初级，所述第一反向耦合变压器T3初级的中心抽头接+EC，所述第一反向耦合变压器T3的次级与电网电压串联。

所述输出电压稳压电路的结构与电网电压稳压电路的结构相同(其电路原理图见图3)。第二采样器的变比系数为1/A；第二放大器的放大倍数为β₂＝A；第二反向耦合变压器的变比系数为1∶1。