CN107706920A - 一种spwm斩波式交流稳压器及供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过提供一种SPWM斩波式交流稳压器及供电系统，包括位于控制侧的用于侦测输入有效电压的输入电压侦测电路，预设有与有效输入电压比较的参考输出电压并基于得到的误差电压产生及输出PWM脉冲信号的控制电路，受控制电路触发输出控制信号的驱动电路；以及，位于补偿执行侧的受控于控制信号以转化直流输入电压为直流目标电压输出的斩波电路，转化直流目标电压为补偿电压输出的补偿变压器Tr，和整流电路，实现了对市电电网的高精度无级调压，从而有效改善了因供电电压发生波动而影响负载正常工作的问题，并且该交流稳压器加设在市电电网和负载之前，能够在市电电网发生波动时，保持向负载提供稳定的供电电压。

Description

一种SPWM斩波式交流稳压器及供电系统

技术领域

本发明涉及交流稳压器技术领域，尤其涉及一种SPWM斩波式交流稳压器及供电系统。

背景技术

电力供求矛盾的存在，使市电电网的供电电压存在较大的波动，而这将影响到精密仪器、大型用电设备等要求较高供电质量的设备的正常运行。所以，一般的处理方法是在市电电网和用电设备之间接入高稳压精度、宽稳压范围的交流稳压器。

已知现有技术中应用较为广泛的交流稳压器为一种无触点多补偿变压器式交流稳压器，将采用的多个补偿变压器Tr的次级端串联在主电路中，通过双向晶闸管或固态继电器组成的变换电路，选择性地切换串入主电路中的补偿变压器Tr的个数来进行有级补偿，从而达到稳压的目的。

但上述技术方案仅能实现有级调压，这对于要求高供电质量的精密仪器而言，存在着调压精度不高的不足。因此，为满足精密仪器的需求，还有待做进一步的改进。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种SPWM斩波式交流稳压器，以解决所发现之现有技术仅能实现有级调压，存在调压精度不高的技术问题。

本发明的第一方案提供：一种SPWM斩波式交流稳压器，包括：

控制侧，基于获取的有效输入电压和预设的参考输出电压比较得到的误差电压，输出控制信号；

补偿执行侧，受控于所述控制信号以产生对负载电压进行补偿的补偿电压，使得所述负载电压等于所述参考输出电压；

其中，所述控制侧包括：

输入电压侦测电路，耦接于市电电网以用于获取有效输入电压；

控制电路，耦接于所述输入电压侦测电路以接收所述有效输入电压，比较所述有效输入电压和所述参考输出电压，得到误差电压，并基于所述误差电压产生及输出PWM脉冲信号；

驱动电路，耦接于所述控制电路以被所述PWM脉冲信号触发，输出控制信号；

所述补偿执行侧包括：

斩波电路，耦接于所述驱动电路并受控于所述控制信号，转化直流输入电压为直流目标电压输出；

补偿变压器Tr，初级端耦接于所述斩波电路以接收所述直流目标电压，转化所述直流目标电压以在次级端输出使负载电压等于所述参考输出电压的所述补偿电压；

整流电路，耦接于所述斩波电路以向所述斩波电路提供所述直流输入电压。

实施上述技术方案，控制电路基于输入电压侦测电路获取的有效输入电压和预设的参考输出电压得到误差电压，并产生及输出与误差电压对应的PWM脉冲信号，控制电路受PWM脉冲信号触发输出控制斩波电路转化直流输入电压为直流目标电压并输出的控制信号，补偿变压器Tr的初级端接收直流目标电压输入，经转化在次级端输出使负载电压等于参考输出电压的补偿电压；上述过程通过PWM脉冲信号来控制补偿变压器Tr的初级端的输入电压，使补偿变压器Tr的次级端输出高精度的补偿电压，具有无级调压且调压精度高的优点。

本发明的第二方案是在第一方案基础上进一步提供：当所述输入电压侦测电路获取的所述有效输入电压高于所述参考输出电压时，所述补偿变压器Tr的次级端输出与所述有效输入电压反相的补偿电压；当所述输入电压侦测电路获取的所述有效输入电压低于所述参考输出电压时，所述补偿变压器Tr的次级端输出与所述有效输入电压同相的补偿电压。

实施上述技术方案，在用电低谷期，市电电网的供电电压较高，此时可能出现有效输入电压高于参考输出电压的情况，次级端串接在负载主电路的补偿变压器Tr在次级端输出与有效输入电压反相的补偿电压，补偿电压与有效输入电压进行叠加，实现对有效输入电压的消减，使负载电压等于参考输出电压；在用电高峰期，市电电网的供电电压较低，此时可能出现有效输入电压低于参考输出电压的情况，补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压同相的补偿电压，补偿电压与有效输入电压叠加，实现对有效输入电压的增加，使负载电压等于参考输出电压；通过上述过程，在市电电网的供电电压发生上波或下波时，均能保持负载电压为稳定的输出参考电压，从而有效改善了因市电电网的供电电压的波动而对负载的正常工作产生影响的问题。

本发明的第三方案是在第二方案基础上进一步提供：当所述输入电压侦测电路获取的所述有效输入电压等于所述参考输出电压时，闭合并联于所述补偿变压器Tr的初级端的自动旁路以使所述补偿变压器Tr的次级端输出的补偿电压为零。

实施上述技术方案，在有效输入电压等于输出参考电压时，不需要对负载电压进行补偿，闭合并联在补偿变压器Tr的初级端的自动旁路，使得补偿变压器Tr的次级端输出为零的补偿电压。

本发明的第四方案是在第一方案基础上进一步提供：所述补偿变压器Tr和负载之间耦接有滤波电路。

实施上述技术方案，滤波电路起到滤除补偿变压器Tr的次级端输出的补偿电压中的谐波的作用。

本发明的第五方案是在第一方案基础上进一步提供：所述整流电路的两端并接有续流电容。

本发明的第六方案是在第一方案基础上进一步提供：还包括与所述控制电路耦接以将获取的过零电压输入所述控制电路的过零电压侦测电路。

本发明的第七方案是在第六方案基础上进一步提供：还包括与所述控制电路耦接以将获取的负载电压输入所述控制电路的负载电压侦测电路。

本发明的第八方案是在第一方案基础上进一步提供：还包括能够与计算机建立通讯连接的通信接口。

实施上述技术方案，能够实现SPWM斩波式交流稳压器和计算机的连接，并将SPWM斩波式交流稳压器的工作参数传入计算机，从而实现对SPWM斩波式交流稳压器工作状态的监控。

本发明的第九方案提供：一种供电系统，市电电网和负载之间加设有本发明第一方案至第八方案任意一项所述的交流稳压器以向负载提供稳定的电压。

实施上述技术方案，能够在市电电网发生波动时，保持向负载提供稳定的供电电压。

有益效果：

通过提供一种SPWM斩波式交流稳压器及供电系统，包括位于控制侧的用于侦测输入有效电压的输入电压侦测电路，预设有与接收到的有效输入电压比较的参考输出电压并基于得到的误差电压产生及输出PWM脉冲信号的控制电路，受PWM脉冲信号触发输出控制信号的驱动电路；以及，位于补偿执行侧的受控于控制信号以转化直流输入电压为直流目标电压输出的斩波电路，转化直流目标电压为补偿电压输出的补偿变压器Tr，和用于向斩波电路提供直流输入电压的整流电路，实现了对市电电网输出的发生波动的供电电压的高精度无级调压，从而有效改善了因供电电压发生波动而影响到负载正常工作的问题，并且该SPWM斩波式交流稳压器加设在市电电网和负载之前，能够在市电电网发生波动时，保持向负载提供稳定的供电电压。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明示例实施例中控制侧的逻辑示意图；

图2是本发明示例实施例中输入电压侦测电路和过零电压侦测电路的电路连接关系图；

图3是本发明示例实施例中补偿执行侧的电路连接关系图；

图4是本发明示例实施例中负载电压侦测电路的连接示意图。

附图标记：101、输入电压侦测电路；102、控制电路；103、驱动电路；104、负载电压侦测电路；105、过零电压侦测电路；106、通信接口；301、整流电路；302、斩波电路；303、自动旁路；304、滤波电路。

具体实施方式

在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便于对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好地理解。

下面将结合附图，对本发明实施例的技术方案进行描述。

实施例一

因电力供应矛盾的存在，使市电电网的供电电压出现了较大的波动，而波动的供电电压对要求较高质量的供电电压的精密仪器的正常运行会产生较大的影响，因此，必须在市电电网和精密仪器之间加设高稳压精度、宽稳压范围的交流稳压器。

本发明示例实施例提供一种SPWM斩波式交流稳压器，包括基于获取的有效输入电压和预设的参考输出电压比较得到的误差电压，输出控制信号的控制侧；以及，受控于控制信号以产生对负载电压进行补偿的补偿电压，使得负载电压等于参考输出电压的补偿执行侧。

具体地，如图1所示，控制侧包括耦接于市电电网以用于获取有效输入电压的输入电压侦测电路101；耦接于输入电压侦测电路101以接收有效输入电压并与预设的参考输出电压比较，得到误差电压，且基于误差电压产生并输出PWM脉冲信号的控制电路102；以及耦接于控制电路102并受PWM脉冲信号触发以输出控制信号的驱动电路103。

图1示出了本发明示例实施例控制侧的逻辑关系。具体为，控制电路102接收到输入电压侦测电路101输入的有效输入电压后，与预设的参考输出电压求差，得到误差电压，并基于误差电压产生PWM脉冲信号，驱动电路103接收到PWM脉冲信号后，输出控制信号。

其中，控制电路102以DSP芯片为核心，DSP芯片内集成有定义有参考输出电压的第一比较程序，通过第一比较程序计算得到输入有效电压和参考输出电压的误差电压；DSP芯片内还集成有定义有三角波电压的第二比较程序，通过第二比较程序对误差电压和三角波电压的比较，产生PWM脉冲信号。

具体地，当市电电压向上波动，获取的有效输入电压Ui大于参考输出电压Ur，通过第一比较程序计算得到误差电压+ΔU，通过第二比较程序将误差电压+ΔU与三角波电压进行比较，得到第一PWM脉冲信号，并通过脉冲发生器发出第一PWM脉冲信号。

当市电电压向下波动时，获取的有效输入电压Ui小于参考输出电压Ur，通过第一比较程序计算得到误差电压-ΔU，通过第二比较程序将误差电压-ΔU与三角波电压进行比较，得到第二PWM脉冲信号，并通过脉冲发生器发出第二PWM脉冲信号。

驱动电路103在分别受到第一脉冲信号和第二脉冲信号触发时，分别输出对应的控制信号。

图2示出了本发明示例实施例的输入电压侦测电路101的连接关系，具体地，第一电阻R1的一端耦接于市电电网，另一端耦接于第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端耦接于第一运算放大器U1的正相输入端，第一运算放大器U1的反相输入端耦接于第三电阻R3的另一端，第三电阻R3的一端耦接于第十二电阻R12的一端，第十二电阻R12的另一端耦接于第二运算放大器U2的正相输入端，第二运算放大器U2的反相输入端耦接于第十一电阻R11的另一端，第十一电阻R11的一端耦接于第四电阻R4的一端，第二运算放大器U2的输出端耦接于第十五电阻R15的一端，第十五电阻R15的一端耦接于第十六电阻R16的另一端，第十五电阻R16的另一端接地；第十六电阻R16的一端耦接于第七电阻R7的另一端，第七电阻R7的一端耦接于第一运算放大器U1的输出端。

第二电阻R2的一端耦接于直流电源，另一端耦接于第一电阻R1的另一端；第十电阻R10的一端耦接于直流电源，另一端耦接于第九电阻R9的另一端；第五电阻R5的一端耦接于第四电阻R4的另一端，第五电阻R5的另一端接地；第十三电阻R13的一端耦接于第十二电阻R12的另一端，第十三电阻R13的另一端接地；第八电阻R8的一端耦接于第六电阻R6的一端，第八电阻R8的另一端接地。

输入电压侦测电路101以第一运算放大器U1和第二运算放大器U2为核心组成差分放大电路，获取的有效输入电压通过第七电阻R7和第十六电阻R16之间的第一节点输入控制电路102。

如图3所示，补偿执行侧包括受控于控制信号以转化直流输入电压为直流目标电压输出的斩波电路302；初级端接收斩波电路302输入的直流目标电压并转化直流目标电压以在次级端输出使负载电压等于参考输出电压的补偿电压的补偿变压器Tr；以及耦接于斩波电路302以向斩波电路302提供直流输入电压的整流电路301。

具体地，当驱动电路103受到第一脉冲信号触发时，驱动电路103输出第一控制信号，斩波电路302受控于第一控制信号以向补偿变压器Tr的初级端输入使补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压反相的补偿电压的直流目标电压；当驱动电路103受到第二脉冲信号时，驱动电路103输出第二控制信号，斩波电路302受控于第二控制信号以向补偿变压器Tr的初级端输入使补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压同相的补偿电压的直流目标电压。

更优选地，补偿变压器Tr的初级端还并联有自动旁路303。当获取的有效输入电压等于参考输出电压时，关闭驱动电路103以使驱动电路103停止输出控制信号，并闭合自动旁路303，使补偿变压器Tr的初级端类似于短接，使得补偿变压器Tr的次级端输出为零的补偿电压。

更优选地，补偿变压器Tr与负载之间还耦接有对补偿变压器Tr的次级端输出的补偿电压进行滤波的滤波电路304。本发明示例实施例中的滤波电路304为LC滤波电路304。

更优选地，整流电路301的两端并接有续流电容C4。

图3是本发明示例实施例的补偿执行侧的主电路连接关系图，具体地，第一二极管D1的阳极耦接于市电的火线，第一二极管D1的阴极耦接于第三IGBT T3的集电极，第三IGBTT3的发射极耦接于第四IGBT T4的集电极，第四IGBT T4的发射极耦接于第二IGBT T2的发射极，第二IGBT T2的集电极耦接于第一IGBT T1的发射极，第一IGBT T1的集电极耦接于第三IGBT T3的集电极；第二电感L2的一端耦接于第一IGBT T1的发射极，第二电感 L2的另一端耦接于补偿变压器Tr的初级端的一端，补偿变压器Tr的初级端的另一端耦接于第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端耦接于第二电感L2的另一端；补偿变压器Tr的次级端的一端耦接于市电的火线，补偿变压器Tr的次级端的另一端耦接于第三电感L3的一端，第三电感L3的另一端耦接于第三电容C3的一端，第三电容C3的另一端耦接于市电的零线。

以下具体说明补偿执行侧的工作过程。

在市电电压处于正半周且有效输入电压Ui大于参考输出电压Ur时，驱动电路103受控制电路102输出的第一PWM脉冲信号的触发，输出使第二IGBT T2和第三IGBT T3导通的第一控制信号。此时，补偿执行侧的主电路的电流流向为市电火线至第三二极管D3至第三IGBT T3至补偿变压器Tr的初级端至第二电感L2至第二IGBT T2至第二二极管D2至市电零线。补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压反相的补偿电压，使负载电压等于参考输出电压Ur。

反之，在市电电压处于正半周且有效输入电压Ui小于参考输出电压Ur时，驱动电路103受控制电路102的第二PWM脉冲信号的触发，输出使第一IGBT T1和第四IGBT T4导通的第二控制信号。此时，补偿执行侧的主电路的电流流向为市电火线至第三二极管D3至第一IGBT T1至第二电感L2至补偿变压器Tr初级端至第四IGBT T4至第二二极管D2至市电零线。补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压同相的补偿电压，使负载电压等于参考输出电压。

类似地，在市电电压处于负半周且有效输入电压Ui大于参考输出电压Ur时，驱动电路103受控制电路102的第一PWM脉冲信号的触发，输出使第一IGBT T1和第四IGBT T4导通的第一控制信号。此时，补偿执行侧的主电路的电流流向为市电零线至第一二极管D1至第一IGBT T1至第二电感L2至补偿变压器Tr初级端至第四IGBT T4至第四二极管D2至市电火线。补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压反相的补偿电压，使负载电压等于参考输出电压。

反之，在市电电压处于负半周且有效输入电压Ui小于参考输出电压Ur时，驱动电路103受控制电路102的第二PWM脉冲信号的触发，输出使第二IGBT T2和第三IGBT T3导通的第二控制信号。此时，补偿执行侧的主电路的电流流向为市电零线至第一二极管D1至第三IGBT T3至补偿变压器Tr初级端至第二电感L2至第二IGBT T2至第四二极管D2至市电火线。补偿变压器Tr的次级端输出与有效输入电压的同相补偿电压，使负载电压等于参考输出电压。

如图1所示，控制电路102还耦接有过零电压侦测电路105和负载电压侦测电路104。具体地，如图2所示，过零电压侦测电路105的连接关系为，第十七电阻R17的一端耦接于第十六电阻R16的另一端，第十七电阻R17的另一端耦接于第十八电阻R18的一端，第十八电阻R18的另一端接地，第一三极管Q1的基极耦接于第十七电阻R17和第十八电阻R18之间，第一三极管R18的集电极通过第十九电阻R19耦接于直流电源，第一三极管Q1的发射极接地。

图4示出了负载电压侦测电路104的连接关系，如图4所示，其电路构成与输入电压侦测电路101的相同，此处就不再赘述。

负载电压侦测电路104获取负载电压并将其输入控制电路102，以实现对补偿结果的监测。即若监测到获取的负载电压不等于参考输出电压时，说明本发明示例实施例可能出现运行故障，可告警通知工作人员。告警方式可通过与控制电路102耦接的报警电路实现。

更优选地，如图1所示，SPWM斩波式交流稳压器还包括能够通过R485总线与计算机建立通信连接的通信接口106。

实施本示例实施例可以达到如下预期效果：

实现了对发生波动的供电电压的无级调压，提高了调压精度，从而能够有效改善因供电电压发生波动而影响到负载正常工作的问题。

实施例二

本发明示例实施例提供一种供电系统，包括实施例一提供的交流稳压器，且该交流稳压器串接在市电电网和负载之间，使得在市电电网发生波动时，能够保持向负载提供稳定的供电电压。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对发明的保护范围进行限制。显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明所要保护的范围。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员依然可以在不冲突的情况下，不作出创造性劳动对本发明各实施例中的特征根据情况相互组合、增删或作其他调整，从而得到不同的、本质未脱离本发明的构思的其他技术方案，这些技术方案也同样属于本发明所要保护的范围。

Claims (9)

1.一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，包括：

控制侧，基于获取的有效输入电压和预设的参考输出电压比较得到的误差电压，输出控制信号；

补偿执行侧，受控于所述控制信号以产生对负载电压进行补偿的补偿电压，使得所述负载电压等于所述参考输出电压；

其中，所述控制侧包括：

输入电压侦测电路(101)，耦接于市电电网以用于获取有效输入电压；

控制电路(102)，耦接于所述输入电压侦测电路(101)以接收所述有效输入电压，比较所述有效输入电压和所述参考输出电压，得到误差电压，并基于所述误差电压产生及输出PWM脉冲信号；

驱动电路(103)，耦接于所述控制电路(102)以被所述PWM脉冲信号触发，输出控制信号；

所述补偿执行侧包括：

斩波电路(302)，耦接于所述驱动电路(103)并受控于所述控制信号，转化直流输入电压为直流目标电压输出；

补偿变压器Tr，初级端耦接于所述斩波电路(302)以接收所述直流目标电压，转化所述直流目标电压以在次级端输出使负载电压等于所述参考输出电压的所述补偿电压；

整流电路(301)，耦接于所述斩波电路(302)以向所述斩波电路(302)提供所述直流输入电压。

2.如权利要求1所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，当所述输入电压侦测电路(101)获取的所述有效输入电压高于所述参考输出电压时，所述补偿变压器Tr的次级端输出与所述有效输入电压反相的补偿电压；当所述输入电压侦测电路(101)获取的所述有效输入电压低于所述参考输出电压时，所述补偿变压器Tr的次级端输出与所述有效输入电压同相的补偿电压。

3.如权利要求2所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，当所述输入电压侦测电路(101)获取的所述有效输入电压等于所述参考输出电压时，闭合并联于所述补偿变压器Tr的初级端的自动旁路(303)以使所述补偿变压器Tr的次级端输出的补偿电压为零。

4.如权利要求1所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，所述补偿变压器Tr和负载之间耦接有滤波电路(304)。

5.如权利要求1所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，所述整流电路(301)的两端并接有续流电容。

6.如权利要求1所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，还包括与所述控制电路(102)耦接以将获取的过零电压输入所述控制电路(102)的过零电压侦测电路(105)。

7.如权利要求6所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，还包括与所述控制电路(102)耦接以将获取的负载电压输入所述控制电路(102)的负载电压侦测电路(104)。

8.如权利要求1所述的一种SPWM斩波式交流稳压器，其特征在于，还包括能够与计算机建立通讯连接的通信接口(106)。

9.一种供电系统，其特征在于，市电电网和负载之间加设有权利要求1至8任意一项所述的交流稳压器以向负载提供稳定的电压。