交流稳压器

  由于市电供电压因各种原因而不稳定,特别是有些供电场所电压波动幅度很大,从而影响用电设备的正常工作,还可能造成用电设备损坏,而交流稳压器是一种能够使用电设备的工作电压基本稳定的稳压设备。

原理

  稳压器可适用于各类大型高精尖微电子系统作为前级稳压器,尤其适用于电网波动幅度大、电压瞬间突变等恶劣供电环境。

  稳压器的使用行业:稳压器广泛应用于电信行业的基站建设,医疗设备行业,电梯行业,印刷行业,模具及精密机床加工行业,公路交通行业,石油化工行业。

  交流稳压器原理通常是利用铁磁非线性特性构成,属于铁磁稳压器,它是由铁磁饱和元件再加谐振电容构成的稳压器。

  一、铁磁饱和现象

  一个线圈通过电流时,线圈中便有磁场产生,描述这个磁场有两个物理量,一个是磁场强度,用H来表示,它与线圈的圈数和流过线圈的电流强度的乘积(又称安匝数)有关;另一个是磁感应强度(又称磁通密度),用B来表示,B的大少除与安匝数有关外,还与线圈中的介质有关。如果介质是空气,那么H和B数值相等,如果介质是铁磁材料时,同一线圈流过同样的电流(H相同)的条件下,在有铁磁材料的导磁率用U来表示。

  在铁磁材料中,U不是固定的常数,B和H之间不是线性关系,如图1所示,在图中可见,曲线的A点附近曲线开始弯曲,再往上,B值的变化越来越平缓,H变化而B值变化很少的现象我们就称为磁饱和现象。

一个铁磁介质线圈的伏安特性图

  在讨论稳压电源时,我们关心的是电压电流的变化,在磁饱和铁芯线圈讨论中,我们可以认为线圈中H与流过线圈的电流I成正比;线圈中的B与线圈的感生电压即线圈两端的电压V成正比。图2是一个铁磁介质线圈的伏安特性图,从图中可见,曲线有一段电压变化很少,动态电阻©V/©I比V/I少(这是稳压管的概念,磁饱和线圈不常用“动态电阻”的提法)。这就是饱和区段。

  图3是一个简单的磁饱和稳压电路,L1是非饱和电感,L2是饱和电感。如果输入电压Vi发生变化,那么L1和L2的电流都将变化,但由于L2在饱和状态,所以L2上的电流变化时其两端的电压变化很少,大部分电压变化都落在L1上,从而保持了L2上电压,即输出电压V0的相对稳定。当负载发生变化时,其结果也一样,这种简单型的磁饱和稳压器存在两个问题:一是稳压性能差,主要原因是B-H曲线的饱和部分不够徒。二是功耗大,因为要使L2进入饱和状态所消耗的功耗过大。

简单的磁饱和稳压电路

  图4是一个实用型的磁饱和交流稳压器,铁芯面积较大的一边是非饱和区,铁芯面积较少的一边是饱和区,L3称为电压补偿绕组,从上面我们知道,简单型的交流稳压器的缺点是输入电压变化会引起输出电压较大的变化,为此,改进方法是将非饱和区的一部分电压与输出电压V0反向串接,将变化部分相抵消。L3和L1绕在同一不饱和铁芯上,成为线性变压器,L3与L2串联,但电压方向相反,从而补偿了输出电压V0的变化,使V0更稳定。

  要使铁芯进入饱和状态,L1将要流入较大的磁励电流,由于L1是一个感性负载,所以消耗在负载上的功率不是I和电网电压V的乘积VI,而是UICOSa(COSa称为功率因数),因此流过L1的总电流将比较大,即功耗过大,稳压器的效率只有50[%]左右,为此我们可通过并联铁磁谐振的方法加以克服。

  我们知道电感上电流比电压相位滞后90度,电容上电流比电压相位超前90度,如果电感和电容并联,加上同一电压,电感上的电流IL和电容上的电流IC将相互抵消,因此,当IL和IC的大少接近相等时,尽管IL和IC的数值很大,但供给这个并联回路的总电流却很少,这种现象称为并联谐振。这种铁磁谐振的实用价值在于不用很大的输入电流就能使电感饱和,从而克服了稳压电路从电网吸取电流过大的缺点。

  稳压器原理特点: 能有效的去除或改善国内生产的可控硅稳压器效率低、可控硅上有环流、产生附加谐波及电磁干扰严重等弊端。它集合了微机测控、可控硅无触点开关和变压器技术于一体,具有噪声小、容量大、体积小、精度高、响应快、稳压范围宽、重量轻、可靠性好、无波形畸变等特点。

分类

  能为负载提供稳定交流电源的电子装置。又称交流稳压器。有关交流稳压电源的参数及质量指标可参见直流稳压电源。各种电子设备要求有比较稳定的交流电源供电,特别是当计算机技术应用到各个领域后,采用由交流电网直接供电而不采取任何措施的方式已不能满足需要。

  交流稳压电源用途广泛,类型较多,大致可分为以下5种。

  ①铁磁谐振式交流稳压器:利用饱和扼流圈与相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构简单,制造方便,输入电压允许变化范围宽,工作可靠,过载能力较强。但波形失真较大,稳定度不高。近年发展起来的稳压变压器,也是借助电磁元件的非线性实现稳压功能的电源装置。它与磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同,而基本工作原理则相同。它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重功能,所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。

  ②磁放大器式交流稳压器:将磁放大器和自耦变压器串联起来,利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。其电路形式可以是线性放大,也可以是脉宽调制等。这类稳压器带有反馈控制的闭环系统,所以稳定度高,输出波形好。但因采用惯性较大的磁放大器,故恢复时间较长。又因采用自耦方式,所以抗干扰能力较差。

  ③滑动式交流稳压器:用改变变压器滑动接点位置,使输出电压获得稳定的装置,即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高,输出电压波形好,对负载性质无特殊要求。但稳定度较低,恢复时间较长。

  ④感应式交流稳压器:靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差,使输出交流电压获得稳定的装置。它在结构上类似线绕式异步电动机,而原理上又类似感应调压器。它的稳压范围宽,输出电压波形好,功率可做到数百千瓦。但由于转子经常处于堵转状态,故功耗较大,效率低。另因铜、铁用料多,故较少生产。

  ⑤晶闸管交流稳压器:用晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。它具有稳定度高、反应快、无噪声等优点。但因对市电波形有损害,对通信设备和电子设备造成干扰。

  随着电源技术的发展,80年代又出现了下列3种新型交流稳压电源。①补偿式交流稳压器:又称部分调整式稳压器。利用补偿变压器的附加电压串接在电源与负载之间,随着输入电压的高低,用断续式的交流开关(接触器或晶闸管)或用连续式的伺服电动机来改变附加电压的大小或极性,把输入电压高出部分(或不足部分)减去(或加上),从而达到稳压目的。补偿变压器容量仅为输出功率的1/7左右,具有结构简单、造价低廉的优点,但稳定度不高。②数控式交流稳压器和步进式稳压器:由逻辑元件或微处理机构成控制电路,按输入电压高低转换变压器初级匝数,使输出电压获得稳定。③净化式交流稳压器:由于具有良好的隔离作用,能消除来自电网的尖峰干扰而得到应用。

电路图

  本例介绍的交流稳压器采用伺服式控制电路,具有稳压范围大 (输人交流电压范围为160-260V)、控制精度高、电路简单易制等特点,可供市电压不稳定的地区使用。

  电路工作原理

  该交流稳压器电路由=l2V电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成,如图所示,±12V电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组和整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2组成。

交流稳压器电路图

  电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运算放大器集成电路IC(Nl-N3)组成。

  过电压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。

  自动调压电路由电阻器R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电动机M、滑动触头和T的Wl-W3绕组组成。

  将交流稳压器的输大端与市电相接后,在T的W4、W5绕组上产生了感应电压。该电压经VDl-VD4整流及Cl、C2滤波后,为IC和Vl、V2等提供 士l2V不稳定工作电压。

  +l2V电压还有其他作用。经Rl-R3分压、VS稳压后,分别为Nl-N3的反相输入端提供基准电压;为过电压保护电路申的K和V3提供工作电源;经R4、RP2、R6分压后,为Nl和N2的正相输入端提供检测电压;经R7、RPl、R5分压后,为N3的正相输入端提供检测电压。

  Nl-N3将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较,用产生的误差电压去控制自动调压电路。

  当市电电压正常时,Nl和N2的输出端电压为OV,Vl和V2均处于截止状态,电动机M不工作。

  当市电电压偏低时,Nl和N2输出低电平,使V2导通,Vl截止,M逆时针旋转,通过滑壁臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触 (T的Wl、W2绕组共设置了21个电压抽头,每一档的电压调节范围为5V),通过T的W2绕组来提升输出电压。当输出交流电压升至220V时,V2截止,M停转。

  当市电电压偏高时,Nl和N2均输出高电平,使Vl导通,V2截止,M顺时针旋转,通过滑臂驱动滑动触头移动,与T相应的电压抽头接触,通过T的Wl绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至220V时,Vl截止,M停转。  当市电电压偏高超过260V时,N3因正相输入端电压高于反相输入端电压而输出低电平,使V3截止,,K释放,其常闭触头接通交流电压的输出回路。

  当市电电压为160-260V时,N3因正相输入端电压低于反相输入端电压而输出高电平,使V3导通,K吸合,其常闭触头断开,从而保证负载 (用电器)不会因过电压而损坏。

  元器件选择

  R8和R9均选用lW金属膜电阻器,其余各电阻器选用1/4W或l/2W金属膜电阻器。

  RPl和RP2均选用精密可变电阻器。

  Cl-C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。

  VDl-VD4均选用lN5404型硅整流二极管。

  VS选用1/2W、6V的硅稳压二极管,例如lN5233A或lN5995B等型号。

  Vl选用DSl5或2SC2073型硅NPN晶体管;V2选用CSl5或2SA940型硅PNP晶体管;V3选用S805O或C8050型硅NPN晶体管。

  IC选用LM324型运算放大集成电路。

  M选用l2V直流电动机。

  K选用JRX-l3F型l2V直流继电器,使用时将其两组常闭触头并联,以增大电流负荷。

  T采用300-500W的电源变压器改制。先计算出匝/伏比等有关数据后再进行绕制,每5V处取出一抽头并作好标记。先绕Wl-W3绕组,后绕W4和W5绕组。将T各抽头的外接点与滑臂的滑动触头分别装在两块完全一样的印制板上,粘合后对应连接。滑臂为上、下两片型式,印制板夹在其中间,使其在滑动时接触良好。滑臂申心装上齿轮,电动机M通过齿轮变速后驱动滑臂移动。

  电路调试

  调试时,先将RPl和R陀的动触头调至中间位置,在交流稳压器的输入端接上一台手动调压器,在输出端接上电压表,调整调压器使输入交流电压为220V,然后调节R陀的阻值,使M在输出电压为220V时停转。

  断开M的引线 (滑动触头应接在-220V处),调整RPl,使输人电压调至230V时,K立即吸合即可。

选购注意要点和必备常识

  交流稳压器的功率非常简单明了,主要的就是为供电设备提供不间断的电源保障!还有能起到稳定电压的功能,稳压器的输入电压的一个较广的范围,大多在220(+-)20[%]V,输出的电压能保证在220V。

  而在选购交流稳压器时,需要注意以下几点:

  一:选购交流稳压器考虑品牌,售后服务!

  二:考虑到稳压器的配备方式是集中式,还是分散式!

  如果需要配稳压器的设备较多,您可以采用“集中式”或“分散式”两种配备方式:

  “集中式”,就是用一台较大功率的ups负载所有设备,如果设备之间距离较远,还需要单独铺设电线,大型数据中心、控制中心常采用这种方式,虽然便于管理,但成本较高。

  “分散式”配备方式是现在比较流行的一种配备方式,就是根据设备的需要分别配备适合的稳压器,譬如对一个局域网的电源保护,可以采取给服务器配备在线式ups,各个节点分别配备后备式ups的方案,这样配备的成本较低并且可靠性高。

  这两种供电方式的优缺点如下表:

  集中供电方式:便于管理、布线要求高、可靠性低、成本高。

  分散供电方式:不便管理、布线要求低、可靠性高、成本低。

  三:在选购的时候,考虑到设备是不是感性负载!若是感性负载,要大于负载的3倍配置UPS电源!

  四:配备交流稳压器时,注意设备的功率,分清实际功率和额定功率.

  把功率因数考虑进去,确保选择的交流稳压器设和设备的使用!事实上,“W”总是小于等于“VA”。它们之间的换算关系可用如下公式计算出来: W = VA×功率因数。功率因数在0~1之间,它表示了负载电流做的有用功(W)的百分比。只有电热器或电灯泡等的功率因数为1。对于其他设备来说,有一部分负载没有作功。这部分电流是谐波或电抗电流,它是负载特性引起的。由于有这部分电流,所以“ VA”值比“W”值大,“W”可以看作是“VA”值当功率因数为1时的特例。

  一般,计算机的瓦特(W)值是它的“VA”值的60%~70%。事实上如今所有的计算机电源的功率因数值都在60%~70%左右,微型机趋向于60%,大型机趋向于70%。研制出的稳压器具有功率因数自动校正功能,它的功率因数号称为1。有些稳压器厂商用“W”表示容量,而实际上他们指的是“VA”值。计算机负载“W”值应为该标出值的6 0%~7 0%,所以标出值是1 0 0 W的交流稳压器,能够驱动一个100瓦灯泡,但只能驱动65W的计算机。

  五:选购交流稳压器的时候分清后备式,在线式,在线互动式!

  交流稳压器按工作原理分 后备式 在线式 在线互动式 ,后备式交流稳压器 是我们最常用的,它具备了自动稳压、断电保护等最基础也最重要的功能,虽然一般有10ms左右的转换时间,逆变输出的交流电是方波而非正弦波,但由于结构简单而具有价格便宜,可靠性 高等优点,因此广泛应用于微机、外设、pos机等领域; 在线式稳压器结构较复杂,但性能完善,能解决所有电源问题,其显着特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题;由于需要较大的投资,通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中; 在线互动式同后备式稳压器相比,在线互动式交流稳压器的保护功能较强,逆变器输出电压波形较好,一般为正弦波,而其的优点是具有较强的软件功能,可以方便地上网,进行稳压器的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内,如有偏差可由稳压电路升压或降压,提供比较稳定的正弦波输出电压。

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