三相高频斩波式交流稳压装置的研究

2011-05-22 10:05:11来源: 互联网

1引言

工业设备及大型计算机站等场合,大量应用大功率交流稳压电源。在各种交流稳压设备中,多采用电压补偿原理来稳定输出电压,如:大功率接触补偿型交流稳压电源,无触点感应补偿型及开关补偿型交流稳压电源等。在这些设备中,补偿电路多在基频(50Hz)下工作,所以设备体积重量大,转换效率低,限制了它们在大功率场合下的应用。

文献[1][2]等提出了一些高频补偿式电路,但由于使用的元器件较多,电路结构复杂,成本高,难以在实用中得到推广和实用。

文献[3]提出了一种三相高频PWMAC链调节器。由于该电路使用开关器件少,控制简单,补偿电路电感性元件为高频元件,数目少,是一种极有开发应用价值的变换电路。本文主要介绍该电路的工作原理,主要参数设计和仿真波形及实验结果。

2电路结构及工作原理

此三相高频斩波交流调压主电路如图1所示。为便于分析,暂不考虑变压器。

开关S1,S2,S3用于交流斩波,开关S4用来在开关S1,S2,S3关断时为负载续流。S1,S2,S3和S4互补导通。C1,C2,C3为各相旁路电容,用CP表示,R1,R2,R3为各相旁路电阻,用RP表示。L1,L2,L3为滤波电感,R4,R5,R6为负载。

为了防止S1,S2,S3和S4同时导通,在它们互补导通转换时设置了死区。在死区时段由电容CP为负载电流提供旁路,电阻RP在死区过后供电容CP放电。变压器用于给负载提供合适的电压并隔离负载和主电路。

此电路正常工作时,有以下几个工作模式:

2?1供能模式

工作在此模式,开关S1,S2,S3导通,S4关断,输入电压加在负载上。如图2所示,假设电流方向如图所示。

2?2旁路模式

工作在此模式,开关S1,S2,S3,S4都关断。负载电流通过旁路电容CP和三相整流桥中的二极管以及开关管的并联二极管保持连续。如图3所示。在此期间会有一部分能量存储在旁路电容CP中,此能量在死区结束后通过电阻RP泄放。

图1三相高频斩波交流调压主电路图

图2供能模式

图3旁路模式

图4续流模式

图5死区等效电路

(a)等效电路(b)等效模型

2?3续流模式

工作在此模式,开关S1,S2,S3关断,S4导通,L1,L2,L3释放能量使负载电流通过S4保持连续。如图4所示。

3主要参数设计

供电通路主要工作在双向Buck状态,故图1中a(或b、c)点电压通过傅立叶级数分解可得ua=DV1+Va′ncos[(nωs±ωi)t](1)

式中:ωi为输入电压角频率;

ωs为开关角频率;

Va′n为输出谐波幅值;

D为占空比。

其谐波分布在(nωs±ωi),只要开关频率足够高,滤波电感L可以很小,因此,功率电路的设计主要是旁路电容及电阻的设计。

由前所述,旁路电容的作用主要是在“死区”期间,连续负载电流波形。其等效电路如图5(a)所示(以a相电路供电为例)。

由于电容作用时间很短(2μs~3μs),可以将电源电压与负载电流看作恒定值,其等效模型如图5(b)所示。

3?1旁路电容C与泄放电阻R的设计为了方便推导,分别以电路相电流有效值、相电压有效值为标么值,并设M=,K=,其中Ti为输入电源周期,tbp为死区时间。电容电流峰值,则(2)由于旁路电流峰值与最小值差别不大,为简便计算,用代替,则电流平均值为:(3)

电容电压为:

VCbp=VPm[1+cos(ωit+φ)](4)

式中:φ为初相角

其平均值为:(P,U)(5)

则其峰值和有效值分别为:

图6仿真负载电压波形(三相)

图7输出电压波形(一相)

(6)(7)由于,则(P.U)(8)(P.U)(9)又(P.U),所以旁路电阻为:(P.U)(10)由于上述推导中用代替,所以实际取值时对Rbp可适当放大。

3?2仿真及实验

设计一只交流稳压电源,其参数如下:

RL=30Ω,tbp=2μs,fs=20kHz,Ts=50μs,fi=50Hz,M==10000,K==400,=5.77A。则有Rbp?=37.5(P.U),即Rbp?1.3kΩ(实际仿真及实验取值为1.5kΩ);Cbp=,当取为11V时,Cbp为1μF;开关管S1~S4(带寄生反向二极管)型号为1MBH60D?100,二极管D4~D9型号为MUR8100T。

仿真负载电压波形如图6(D=0.8)所示。

在输入线电压有效值为100V时,实验电路负载电压波形(某一相)如图7(D=0.75)所示。

4结论

由仿真及实验结果表明,在较小滤波电感及旁路电容作用下,的确可以调节输出电压,加入适当的波形反馈控制,可以更进一步优化输出波形。

关键字:高频  交流  装置  研究

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0522/article_8952.html
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