電力電子課程設(shè)計-直流穩(wěn)壓電源

引言直流穩(wěn)壓電源，又稱直流穩(wěn)壓器。它的供電電壓大都是交流電壓，當(dāng)交流供電電壓的電壓或輸出負載電阻變化時，穩(wěn)壓器的直接輸出電壓都能保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓器的參數(shù)有電壓穩(wěn)定度、紋波系數(shù)和響應(yīng)速度等。前者表示輸入電壓的變化對輸出電壓的影響。紋波系數(shù)表示在額定工作情況下，輸出電壓中交流分量的大??；后者表示輸入電壓或負載急劇變化時，電壓回到正常值所需時間。直流穩(wěn)壓電源分連續(xù)導(dǎo)電式與開關(guān)式兩類。前者由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當(dāng)值，然后經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓或電流。這種電源線路簡單、紋波小、相互干擾小，但體積大、耗材多，效率低常低于40?60。后者以改變調(diào)整元件或開關(guān)的通斷時間比來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而達到穩(wěn)壓。這類電源功耗小，效率可達85左右，但缺點是紋波大、相互干擾大。所以，80年代以來發(fā)展迅速。從工作方式上可分為：①可控整流型。用改變品閘管的導(dǎo)通時間來調(diào)整輸出電壓。②斬波型。輸入是不穩(wěn)定的直流電壓，以改變開關(guān)電路的通斷比得到單向脈動直流，再經(jīng)濾波后得到穩(wěn)定直流電壓。③變換器型。不穩(wěn)定直流電壓先經(jīng)逆變器變換成高頻交流電，再經(jīng)變壓、整流、濾波后，從所得新的直流輸出電壓取樣，反饋控制逆變器工作頻率，達到穩(wěn)定輸出直流電壓的目的。1設(shè)計方案比較選擇1.1直流穩(wěn)壓電源工作原理直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成。其電路基本框圖如圖1-1。變壓器把220V交流電變?yōu)榉€(wěn)壓所需的低壓交流電；整流器把低壓交流電變?yōu)橹绷麟?整流后的直流電中仍會含有交流成分，可以通過濾波電路將交流成分濾除；經(jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。整流與穩(wěn)壓過程波形圖如圖1-2所小。圖1-1穩(wěn)壓電源的組成框圖圖1-2整流與穩(wěn)壓過程1.2電路分析1.2.1電源變壓器電源變壓器的作用是降壓，為整流器提供合適的電壓。電源變壓器的作用是將來自電網(wǎng)的220V交流電壓u1變換為整流電路所需要的交流電壓％。電源變壓器的效率為：門=J其中：P是變壓器原邊功率，P是變壓器副邊功率。一般小型變壓器的P 1 21效率如表1所示。表1-1小型變壓器的效率副邊功率P2<10VA10?30VL30?80VA80?200效率門0.60.70.80.85因此，當(dāng)算出了副邊功率烏后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率P1。1.2.2整流電路：方案一：采用四個二極管組成單相橋式整流電路整流電路，將交流電壓變換成脈動的直流電壓，再經(jīng)過濾波電路濾除紋波，輸出直流電壓。此電路焊接比較復(fù)雜，容易出錯，而且四個二極管的性能不可能完全一樣，參數(shù)不容易確定。U=(1.1?1.2)U2每只二極管承受的最大反相電壓以及流過每只二極管的平均電流為：Ul=0.45U2ID=、=°，45U2Urm=?U2L需要通過計算才能確定，比較麻煩。方案二：采用現(xiàn)成的集成整流橋，其只需要知道工作電壓和最大工作電流就可以確定，而且焊接方便。方案二對方案一來說，電路簡單，焊接容易，綜合比較采用方案二比較好。1.2.3濾波電路濾波電路把把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。濾波電路常有電容濾波，電感濾波和RC濾波等。RC濾波電路是電阻和電容連接使用的濾波電路，由于電阻會降低一部分直流電壓，直流輸出電壓會減小，因此只適用于小電流電路。方案一：電容濾波電路電容濾波是利用電容的充放電作用使整流輸出電壓變得平穩(wěn)，而且電壓幅值升高，濾波效果好，適于各種整流電路。濾波電容的選擇主要是種類和容量、耐壓值的確定。常用的整流濾波電容有鋁電解、鉭電解、滌綸、獨石電容等。一般當(dāng)整流輸出電流大時，必須用電解電容濾波穩(wěn)壓；輸出電流小時，用一般電容或電解電容濾波都可以，如果對直流輸出電壓有紋波系數(shù)要求或者為了防止高頻噪音，用電解電容和小容量無極性電容并聯(lián)使用效果較好：小容量電容可濾掉脈動直流中的高次諧波，電解電容濾掉大幅值的低頻成分，穩(wěn)壓范圍寬、效果好。整流濾波電路對電容器的容量和耐壓值要求不是太高，一般根據(jù)輸出電流大小估算電容器的容量，輸出電流大，容量就大；電流小，容量就小。但是，容量太大會降低輸出電壓值，太小則會導(dǎo)致電壓脈動大、不穩(wěn)定。橋式整流電容濾波電路如圖1-3所示。假設(shè)t<0時，電容器已經(jīng)充電到交流電壓匕的最大值。

圖1-3橋式整流電容濾波電路當(dāng)七=8時，匕=槌匕當(dāng)C的值適當(dāng)，且整流電路的內(nèi)阻較小時，匕=(1.1?1.2)匕在純電阻負載時：12=(1.5?2)1乙有電容濾波時：I=1.11I2 L電容放電的時間越大，放電過程越慢，輸出電壓中脈動成分越少，濾波效果越好。選擇合適的電容，可以達到要求。方案二：電感濾波電路電感濾波是利用電感對脈動電流產(chǎn)生反電動勢，阻礙電流變化來實現(xiàn)的，電感越大，濾波效果越好。從能量觀點看，當(dāng)電源提供的電流增大時，電感把能量存儲起來；當(dāng)電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感有平波作用。它一般用于負載流大、對濾波要求不高的場臺。橋式整流電感濾波電路圖1-4所示。VRLVRL圖1-4橋式整流電感濾波電路優(yōu)點：整流二極管的導(dǎo)電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。缺點：存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾，適用于低電壓、大電流的場合。綜合比較，采用方案一比較好。1.2.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路有分立元件穩(wěn)壓電路和集成穩(wěn)壓電路兩種，其中集成穩(wěn)壓電路主要用于低電壓小電流的整流電路，具有體積小，電路簡單，穩(wěn)壓精度高，使用調(diào)試方便等特點。選擇時首先要確定系列，是正電源還是負電源，是可調(diào)的還是固定的，其次是根據(jù)它的額定電壓和額定電流選擇具體型號；同時，穩(wěn)壓器在接入整流電路時要適當(dāng)加一些保護元件，可限制輸入電壓幅值等。方案一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖1-5所示。從穩(wěn)壓管的特性可知，若能使穩(wěn)壓管始終工作在它的穩(wěn)壓區(qū)內(nèi)，則輸出電壓基本穩(wěn)定在穩(wěn)壓管電壓左右。

RC RC I ■-■■ 1 +I

o*U.圖1-5穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UZ當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時，若要保持輸出電壓不變，則電阻器上的壓降將增大，即流過電阻器的電流增大。增大的電流由穩(wěn)壓管容納，它的工作點由b點移到c點，由圖1-6特性曲線可知此時U0Uz基本保持不變。UZIzminUIzmax圖1-6特性曲線若負載電阻變小時，特性曲線如圖1-7所示。要保持輸出電壓不變，負載電流要變大。由于Ut保持不變，則流過電阻的電流不變。此時負載需要增大的電流由穩(wěn)壓管調(diào)節(jié)，它的工作點由b點移到a點。所以，穩(wěn)壓管可認為是利用調(diào)節(jié)流過自身的電流大小來滿足負載電流的改變，并和限流電阻配合將電流的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的變化。圖1-7特性曲線缺點：電網(wǎng)電壓不變時，負載電流的變化范圍就是流過穩(wěn)壓管的電流的調(diào)節(jié)范圍，這就限制了負載電流的變化范圍。方案二：串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路如圖1-8所示。射極輸出電路的輸入是固定值Uz，因而輸出電壓也為固定值。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，由于Uz基本不變，所以U0也基本不變，氣的變化由Uce調(diào)節(jié)，因此三極管被稱為調(diào)整管。當(dāng)負載電阻變化引起10的變化時，只要在穩(wěn)壓管的正常范圍內(nèi)，Uz就基本保持不變，即輸出電壓基本恒定。該電路輸出電流的變化可擴大為(1+6)Mz，因此稱為擴流型穩(wěn)壓二極管電路。由于三極管與負載是串聯(lián)的關(guān)系，因此電路也稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。為了改進穩(wěn)壓性能和使輸出電壓可隨意調(diào)節(jié)，可引入深反饋使輸出電阻降低，引入可隨意調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的放大器以改變輸出電壓。如圖1-9所示的由運算放大器組成的串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路。它由基準電壓、比較放大、調(diào)整管和取樣電路四部分構(gòu)成?；鶞孰妷簣D1-9串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓過程：U0TtUf個(?.?UREF不變)—UBJrU^穩(wěn)壓范圍：URU=A(U -U)=A(U -FU)0BUREFFUREFU0二U0=UREF1+AUF機UREFF=UREF(1+R)UU U 2可見，該穩(wěn)壓電路輸出電壓的調(diào)整范圍取決于RJR2，綜合比較方案二較好。2穩(wěn)壓電源技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電流及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻、波紋電壓及溫度系數(shù)等。對穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個方面的要求。穩(wěn)定性好：當(dāng)輸入電壓（整流、濾波輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動時，輸出電壓的變化一般要求很小。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，長用穩(wěn)壓系數(shù)s來表示：s的大小，反映一個穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。輸出電阻?。贺撦d變化時，輸出電壓應(yīng)基本保持不變，其這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻（又稱等效內(nèi)阻），它等于輸出電壓變化量和負載電流變化量之比，反映負載變動時，輸出電壓維持恒定的能力。輸出電阻越小，則流過二極管電流變化時輸出電壓的變化也越小。性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電源，輸出電阻可小到1。，甚至0.01。。電壓溫度系數(shù)?。寒?dāng)環(huán)境溫度變化時，會引起輸出電壓的漂移。良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定，輸出電壓的漂移用溫度系數(shù)KT來表示。輸出電壓紋波?。核^紋波電壓，是指輸出電壓中50Hz或100Hz的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經(jīng)過穩(wěn)壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。電力電子課程設(shè)計3直流穩(wěn)壓電源的串聯(lián)應(yīng)用直流穩(wěn)壓電源應(yīng)用非常廣泛，有時會把兩個或兩個以上的電源串聯(lián)使用，現(xiàn)就此應(yīng)用做一簡要介紹。3.1電路的組成及工作原理圖3-1是一種串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，由取樣電路、基準電路、比較放大和調(diào)整電路等部分組成。R、R和R稱為取樣電阻；R和V組成基準電路，R是V的限流電阻，V給V1 2P 3 2 3Z Z2發(fā)射極提供一個基準電壓；V2為比較放大管，作用是將穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化量先放大，然后再送到調(diào)整管基極；V1是調(diào)整管，起調(diào)整作用。穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)輸出電壓U0發(fā)生變化時，通過取樣電路把U0的變化量取樣加到放大管V2的基極。而由R3和，VZ組成的基準電路為V2的發(fā)射極提供基準電壓Uz。由V2和R4組成的放大電路把取樣電壓和基準電壓進行比較放大后，輸出調(diào)整信號送到調(diào)整V1的基極，控制V]進行調(diào)整，以維持U0基本不變。' T —I—廣廠「ATR0"i| |JVD V*：一卜UVF[]r- Z T2..圖3-1串聯(lián)穩(wěn)壓電路3.2串聯(lián)使用1、順串使用所謂順串，指電源的極性首尾相連，如圖3-2所示。E-1aE-1aR1E2bR2圖3-2電源順串電路圖a、b端開路時，兩電源分別是獨立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為Ei、E2,a、b端的電壓應(yīng)為兩個電動勢的代數(shù)和，U也=E1+E2；接上負載Ri、R2后，由于負載電流的方向與兩個電源正常工作時對外輸出的電流方向一致，故兩個電源也都能正常工作，U=E+E，且整個回路符合全電路歐姆定律I=(E+E)/(R+R)，每個電源都有負ab1 2 12 12載電流通過，電源上的電壓保持不變。2、反串使用所謂反串指電源首首或尾尾相連，如圖3-3所示。圖3-3可以等效成圖3-4.a圖3-3電源反串電路圖bR2圖a圖3-3電源反串電路圖bR2圖3-4電源反饋等效電路1 2a、b端開路時，兩電源分別是獨立的電源，都能正常工作，輸出的電壓分別為Ei、E2,a、b端的電壓應(yīng)為兩個電動勢的代數(shù)和，U廣E2-E1加上負載Ri、R2，因E2>%，所以負載上的電流方向如圖3-4所示(即I2),它與電源1對外輸出的電流方向相反，迫使電源1停止工作，輸出電壓為0，而此時負載電流將通過取樣電路形成回路，故左邊電源“輸出的電壓”也就是取樣電路Ri、R2和Rp上的電壓，設(shè)電源1、2及取樣電路上的電流參考方向如圖所示，則I=I+1，也就是說取樣電路上的電壓取U=I(R+R+R)。如果3 1 2 3 12 3從取樣電路向右看，可等效為一個電動勢為E3、內(nèi)阻為R0的電源，其中取E3二U。如E>%，迫使Ivi截止，Ivci近似等于0，電源真正停止工作，此時“電源輸出的電壓”取U=13(R1+R2+R3)(并不是真正電源1輸出的電壓，而是取樣電阻分擔(dān)E2的電壓)，其中I=E/［R+R+(1R+1R+1R)］，其電壓的大小主要由E2、R］、R2、lRx>lR2、1RP3 2 12 1 2P的大小決定，整個電路也不符合全電路歐姆定律，I豐(E-E)/(R+R)，此時的電壓應(yīng)2 2 112大于E1。4結(jié)論通過上面的分析可知，對于直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)情況而言，如電源順串，各個電源都能正常工作，整個電路符合全電路歐姆定律；電源反串，穩(wěn)定電壓輸出比較小的那個電源不能真正起到一個電源作用，在任何情況下負載電流都沒有通過電源。具體情況如下：當(dāng)取樣電路上的電壓大于穩(wěn)壓電源輸出電壓時，迫使電源停止工作，此時只有電源的取樣電路接入電路中，電源兩端的電壓也就是取樣電路兩端的電壓（應(yīng)大于穩(wěn)定輸出電壓），整個電路不滿足全電路歐姆定律；當(dāng)取樣電路上的電壓小于穩(wěn)定輸出電壓時，電源正常工作，整個電路滿足全電路歐姆定律，但負載電流只通過取樣電路，取樣電