采用两个正交磁通型参数变压器和可变电感器制作交流稳压电源.pdf

2009 02 89 Technology Application技术与应用 1 引言 因为参数变压器具有稳压和抑制噪音 过载保护等功 能 人们期望用它作交流稳压电源 变频器和 D C A C变 换器 但是 参数变压器的电压调整率并不为零 这是因为 对于不同的输入电源和负载电流 其输出电压稍微依照次 级磁化曲线来变化 在本文中 介绍一种新型交流稳压电源 它是用两个 正交磁通型参数变压器和同样结构类型的可变电感器构成 该参数变压器的输出电压是通过一个简单的反馈电路来调 节 该反馈电路是由可变电感器 一个晶体管和一个可饱 和磁心组成 该试验型交流稳压电源的工作特性表明 该交流稳压 电源可用在对可靠性要求高的场合 这里所介绍的交流稳 压电源能够抑制噪音 具有过载保持功能 可用在输入电 网存在尖峰信号和闪烁噪音的场合 2 基本电路的工作 图 1 a 为两个正交磁通型参数变压器和可变电感器的 铁芯结构 图 1 b 为绕组排布情况 叠片铁芯和 C型铁芯 在空间上是正交安置的 点划线 1和 2分别表示初级及 次级的磁路 初级绕组由绕组 1 1 及 2 2 组成 它们是串 联或并联 同样 次级绕组为 3 3 及 4 4 它们也是串联 或并联 采用两个正交磁通型参数变压器和可变电感器 制作交流稳压电源 A new ac power stabilizer using two orthogonal flux parametric transformer and variable inductor 深圳市贵鸿达电子有限公司 深圳 5 1 8 1 1 5 高季荪 编译 摘 要 本文介绍一种结构简单的交流稳压电源及其特点 该交流稳压电源采用了两个正交磁通型参数变压器和同样结 构的可变电感器 在试验样机上获得了良好的工作特性 如电压调整率低 能抑制噪音 具有过载保护功能 等 这里所介绍的交流稳压电源具有结构简单性能良好的优点 中图分类号 TM4 文献标识码 B 文章编号 1606 7517 2009 02 4 89 a 为磁芯结构和磁路 b 绕组排布 图 1 磁芯及绕组线路图 90 2009 02 Technology Application技术与应用 图 2 为绕组接线图例 图中 X符号代表铁芯 因为特殊的磁路和磁芯的非线性 B H特性 初级磁通 能够使次级电感发生变化 当然 图 2 所示的线路可用来 表示可变电感器和参数变压器 率是 2 4 0 U A 当负载电流从零到满载变化时 电流调整率 是 2 7 当输入电压从 9 0 V到 1 1 0 V时 调整率为 3 满载时 效率是 7 7 在满载时 失真因子是 1 1 这表明 对于要求高稳压特性的交流电源来说 此处的调整率还有 点大 表 1 本试验中所用铁芯尺寸及绕组匝数 参数变压器可变电感器 铁芯 尺寸 a 2 2 b 3 6 c 4 2 d 6 5 e 8 0 g 2 2 h 1 4 0 m m a 1 6 b 2 2 c 3 6 d 4 2 e 5 4 g 1 6 h 1 1 0 m m 重量6 8 1 k g2 6 5 k g 材料硅钢厚 0 3 5 m m 绕组 N1 2 9 5 N2 5 3 0 NL 2 1 3 Nc 1 2 2 0 NO 1 7 7 0 为了改善该参数变压器的电压调整率 我们采用可变 电感器来控制输出电压的方法 如图 5 所示 在图 5 中 L f Cf组成滤波电路 用以补赏输出电压的第三次谐波失真 因为参数变压器的输出电压由次级电路的饱和程度来决定 那么 输出电压的数值就可通过改变其饱和特性来控制 在图 5 所示的电路中 当可变电感 V I 中的控制电流 I c的 数值增加时 绕组 No电感的有效数值就减少 则参数变压 器 P T的次级绕组的视在饱和特性就改变 从而 输出电压 E L就通过增加控制电流而减少 图 6 a 是参数变压器空载状态输出电压 E L的变化 图 6 b 是参数变压器带电阻负载状态 输出电压的变化 图 2 绕组接线图例 图 3 a 是可变电感器的电路 图 3 b 是参数变压器的 电路图 在图 3 a 中 初级和次级绕组分别接到 D C电压 E c和正弦电压 Ea 当初级电流 Ic增加时 次级电感的有 效值就减少 在图 3 b 中 初级绕组 N1接到正弦电压 E a 初级磁通可使次级电感产生周期变化 当次级绕组 N2接入 适当的调谐电容时 就在次级电路中产生和初级电源同频 率的周期振荡 绕组 NL是输出绕组 可获得希望的输出 电压 E L 而 RL就是负载电阻 a 可变电感器 b 参数变压器 图 3 可变电感器和参数变压器的电路 图 4 为参数变压器典型的负载特性 它的额定输入和 输出电压都是 1 0 0 V 在试验中 所用的铁芯尺寸和绕组匝 数列于表 1 中 频率是 5 0 H z 调谐电容是 5 0 F 在图 4 中 E L是输出电压 V r ms IL是负载电流的有效值 r ms 当过 量的负载电流流过时 输出电压就中止 是效率 I 是 输出电压的失真因子 工作特性如下 在满载时的输出功 图 4 参数变压器典型的负载特性 图 5 参数变压器输出电压控制电路 2009 02 91 Technology Application技术与应用 在图中 P C是可变电感电路初级所消耗的功率 可变电感 器铁芯尺寸及绕组匝数示于表 I 中 从图可看出 E L容易 通过可变电感来控制 并且可变电感的输出电压变化量 足以把参数变压器的输出电压 E L调控到 1 0 0 V Va是当输入电压改变 E a时的变化量 从图 6 知 方程 2 适用在电流从空载到满载的范围内 并且只要输 入电压保持在 9 0 V 1 1 0 V范围内均可适用 此外 当晶体管 T r的信号电压 Vs变化为 Vs时 控 制电流的变化是 I C 那么 IC可由下式得 3 把 3 式代入 2 式 可得下面的方程 4 式中 K和 E d由下式给出 5 6 图 8 为由方程 4 获得的方框图 该图表明 此交流 稳压电源采用了反馈系数为 1 的反馈系统 扰动电压 E a是 由负载电流的变化和输入电压的变化两者组成 当然 当 增益 K足够大时 输出电压 E L就和基准电压 Er一致 图 6 为图 5 所示电路的控制特性 I C 平均值 A a 是空载状态 I C 平均值 A b 带电阻负载状态 3 交流稳压电源的工作特性 按照上述实验结果 可以制作一个交流稳压电源 如 图 7 所示 在图 7 中 S r是具有矩形 B H回线的可饱和 铁芯 用来设定基准电压 即是说令基准电压的 r m s 值 是 E r 则 Er可由下式得 E r 4 4 4 f NcQ Bm 1 式中 Bm是铁芯的饱和磁通密度 Q是铁芯的横截面 积 Nc是铁芯上绕组的匝数 现在 我们得到了输出电压 E L和基准电压 Er之间的关系 在简单假设条件下 图 7 交流稳压电源的电路结构图 在图 5 所示的电路里 令额定输入电压是 E a n 在这种 情况下 E a n就是 1 0 0 V 令在 IL 0 A Ic 0 A Ea 1 0 0 V的 情况下 输出电压是 E L o 则输出电压近似为 2 式中 VC是在控制电流变化 i c时控制电压的变化量 VL是在负载电流变化 I C时 参数变压器输出的变 化量 图 8 交流稳压电源的方框图 图 9 是 2 4 0 V A 输入电压为 1 0 0 V的交流稳压电源 样机的负载特性 该参数变压器和可变电感器的铁芯尺 寸及绕组匝数列于表 1 工作频率是 5 0 H z 调谐电容是 5 0 F 可饱和铁芯 S r采用 O D I D H mm 7 5 5 5 5 0 的非 晶 5 0 N i F e 磁环 交流稳压电源的工作特性如下 当负载电流从空载到 满载时 电压调整率是 1 当输入电压从 9 0 V到 1 1 0 V时 调整率为 0 7 在满载时的效率是 7 0 失真因子 I 在满 载时是 3 这说明 用这种简单的反馈电路改善了电压 图 9 交流稳压电源的负载特性 92 2009 02 Technology Application技术与应用 调整率 而效率并未有多大的降低 这是因为该反馈电路 仅消耗很少的功率 在该交流稳压电源中 过载保护的特 点并未丢失 图 1 0 为该交流稳压电源在稳定工作状态下 所观测到 的输入输出电压波形 它说明 输出电压几乎是正弦的 图 1 0 交流稳压电源在满载时所观测到的输入输出波形 图 1 1 a 为当负载电流突然从空载变到满载时 输出电 压和负载电流的瞬时波形 而图 1 1 b 为当负载电流从满载 变到空载时 输出电压和负载电流的瞬时波形 从试验结 果看 对于负载电流的阶跃变化 响应时间小于 6 0 m s 因为参数变压器具有抑制噪声的能力 所以该交流稳 压电源也具有滤波功能 图 1 2 表示 当尖峰噪声出现在输 入电网电压上时 所观察到的输入及输出电压波形的实例 这说明 输出电流波形几乎是正弦而不带噪音 a 空载到满载 b 从满载到空载 图 1 1 在 E a 1 0 0 时对于负载阶跃变化 输出电压和 电流的瞬变波形 图 1 2 当输入电网电压上有尖峰噪声时 输入和输出电压波形 4 结论 可清楚看出 这里所介绍的交流稳压电源具有以下 特点 1 结构简单 性价比高 2 具有抑制噪声和过载保护功能 3 因为其结构简单所以可靠性高 上接1 0 8 页 变化 功率的变化和 D C电压 E d的变化几乎是恒定的 这 表明上述的最大功率跟踪控制系统在起著作用 即使当太 阳照射