無電源變壓器交流穩壓電路的製作方法
2023-05-15 04:30:21 1
專利名稱：無電源變壓器交流穩壓電路的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力電子技術和設備領域，尤其是利用電力電子自關斷器件對交流電進行同步變換的無電源變壓器交流穩壓電路。
背景技術：
市電交流供電電壓在供電過程中的不穩定，會對用電設備產生不良影響。特別當電壓波動幅度很大時，不但會令用電設備無法正常工作，還可能造成用電設備的損壞。交流穩壓器是一種能夠為用電設備提供相對穩定工作電壓的穩壓設備，廣泛地應用於工業交通、國防、鐵路及科研等領域的設備中。現有的交流穩壓器都是採用電源變壓器經控制電路調整電壓來達到穩壓的目的。作為交流穩壓器首要的部件的電源變壓器，由於製造時需要大量銅導線和矽鋼片，且在冶煉銅導線和矽鋼片時要消耗大量的熱能，因此必將極大地消耗有限資源和能源；另一方面，在一定容量範圍內，變壓器的容量和重量成正比(伏安/公斤)，因此交流穩壓器普遍存在體積大、重量大、損耗高等缺點。這些不足在目前倡導的低碳經濟中顯得尤為突出，所以採用技術手段在一定範圍和條件下找到變壓器的替代物，是當前電力電子技術領域亟待解決的課題。
實用新型內容針對現有交流穩壓器的不足，本實用新型要解決的技術問題是，提供一種無電源變壓器交流穩壓電路。該電路採用電容器儲存能量，利用電力電子中的功率自關斷器件(晶體三極體、GT0, IGBT和VM0SFET)的可關斷特性，組成開關電路。通過電壓同步檢測電路控制脈寬調製電路分別在交流電正負半周期內驅動兩隻自關斷器件通和斷，電壓檢測電路將檢測到的輸出電壓值經光偶傳給脈寬調製電路，控制輸出的脈衝寬度，由驅動電路驅動開關電路內的自關斷器件實現與交流電壓波形同步的脈寬調製變換，同時將存儲在電容器內的電能以電壓形式與電網電壓疊加，以實現輸出交流電壓的穩定。本實用新型解決所述技術問題的技術方案是，設計一種無電源變壓器交流穩壓電路，該電路主要包括開關電路、電壓檢測電路、整流電路、隔離驅動電路、同步控制電路、脈寬調製電路和驅動電路。所述的開關電路由自關斷器件Tl和12、二極體01、02、03和D4、儲能電容器C2和C3、輸出濾波電容器C4及輸出濾波電感L2構成；所述的電壓檢測電路由電阻R和發光管Gl構成；所述的整流電路由控制變壓器B及整流穩壓電路El和E2構成；所述的隔離驅動電路由接收管G2'構成；所述的脈寬調製電路由接收管G1'、控制器PWM構成。所述的開關電路內的自關斷器件Tl的控制極bl與所述的驅動電路的輸出端r相連，自關斷器件Tl的陰極與所述的整流電路內的整流穩壓電路E2的負極相連，所述的開關電路內的自關斷器件T2的控制極b2與所述的隔離驅動電路的輸出端q相連，自關斷器件T2的陰極與所述的整流電路內的整流穩壓電路El的負極相連；所述的開關電路內的輸出濾波電感L2與所述的電壓檢測電路內的電阻R的一端相連；所述的整流電路內的控制變壓器B的初級線圈的兩根引線，一根引線接公共端N，另一根引線經濾波電感LI和電源端子相連，濾波電感LI的另一端與濾波電容器Cl相連；控制變壓器B的次級線圈的兩個繞組分別連接到整流穩壓電路El和E2，整流穩壓電路El的正負極分別連接到所述的隔離驅動電路，整流穩壓電路E2的正負極分別連接到所述的同步控制電路、所述的脈寬調製電路和所述的驅動電路；所述的同步控制電路的c端與所述的整流電路內的控制變壓器B的a端相連，控制變壓器B的b端與所述的同步控制電路的d端相連；同步控制電路的e端與脈寬調製電路的所述的脈寬調製電路的g端相連，所述的同步控制電路的f端與所述的脈寬調製電路的h端相連，所述的脈寬調製電路的i端連接到所述的驅動電路的j端；所述的電壓檢測電路內的發光管Gl與所述的脈寬調製電路內的接收管Gl'相耦合，所述的脈寬調製電路經發光管G2與所述的隔離驅動電路內的接收管G2'相耦合。在上述方案中，所述的開關電路由正負半周期兩個支路組成，在正半周期支路中，二極體Dl的負極與儲能電容器C2的一端連接後，再與自關斷器件Tl的陽極相連接，電容器C2的另一端與公共端N相連接，自關斷器件Tl的陰極和陽極反向並聯有二極體D2，自關斷器件Tl的陰極連接至輸出濾波電感L2的一端，輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容器C4的一端相連接，C4的另一端與公共端N相連接；在負半周期支路中，二極體D3的正極與儲能電容器C3的一端連接後，再與自關斷器件T2的陰極相連接，儲能電容器C3的另一端與公共端相連接，自關斷器件T2的陰極和陽極反向並聯有二極體D4，自關斷器件T2的陽極連接至輸出濾波電感L2的一端,輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容器C4的一端相連接，輸出濾波電容器C4的另一端與公共端N相連接。在上述方案中，所述的開關電路內的正負半周期兩個支路中的自關斷器件Tl和T2，是按如下方式與交流電壓同步工作的。在交流電壓波形的(0-π)區間內，由所述的脈寬調製電路發出以O點為起點、脈衝寬度為β的驅動電位，經所述的驅動電路驅動自關斷器件Tl導通；在交流電壓的U-2JI)區間內，由所述的脈寬調製電路發出以點為起點、脈衝寬度為β的驅動電位，經所述的隔離驅動電路驅動自關斷器件Τ2導通。在上述方案中，所述的電壓檢測電路由電阻R與發光管Gl串聯，電阻R的一端連接至輸出端LM，電阻R的另一端與發光管Gl的陽極相連，發光管Gl的陰極與輸出端的公共端N相連接。 在上述方案中，所述的同步控制電路從所述的整流電路內的控制變壓器B的次級線圈的a端和b端採取交流電壓的同步電位後，在交流電正負半周期內分別傳給所述的脈寬調製電路，作為兩隻自關斷器件導通控制的同步控制電壓。在上述方案中，所述的電壓檢測電路將檢測到負載FZ的電壓值，經發光管Gl和接收管Gl'組成的光電耦合器耦合後，將電壓信號傳給所述的脈寬調製電路內的控制器PWM，由控制器PWM控制電壓信號的脈衝寬度，電壓信號分兩路輸出，一路輸出給所述的驅動電路驅動所述的開關電路內的自關斷器件Tl開關工作；另一路輸出的電壓信號經發光管G2和接受管G2'組成的光電耦合器耦合後，傳給所述的隔離驅動電路進行放大，驅動所述的開關電路內的自關斷器件T2開關工作。該電路的工作原理:電路工作時，交流電由輸入端L和公共端N接入，經輸入濾波電感LI和輸入濾波電容器Cl組成的輸入濾波電路濾波後，為開關電路正負半周期支路供電。開關電路的正半周期電能經二極體Dl存儲在儲能電容器C2中，電壓檢測電路檢測到的負載FZ的端電壓值，經發光管Gl與接收管Gl'組成的光電耦合器耦合後，傳給脈寬調製電路中的控制器PWM，脈寬調製電路輸出以交流電壓波形的O點為起點、脈衝寬度為β的電壓信號，經驅動電路在交流電(0-π)區間內驅動開關電路內的自關斷器件Tl開關工作，Tl關斷瞬間，儲存在電感L2內的電能經二極體D2釋放到儲能電容器C2 ;開關電路的負半周期電能經二極體D2存儲在儲能電容器C3中，電壓檢測電路檢測到的負載FZ的端電壓值，經發光管G2與接收管G2'組成的光電耦合器耦合後，傳給脈寬調製電路中的控制器PWM，脈寬調製電路輸出以交流電壓波形的η點為起點、脈衝寬度為β的電壓信號，經隔離驅動電路在交流電(π_2π)區間內驅動開關電路內的自關斷器件Τ2開關工作，Τ2關斷瞬間，儲存在電感L2內的電能經二極體D4釋放到儲能電容器C3。當電網電壓低於穩定電壓值時，儲能電容器C2和C3內存儲的電能以電壓形式與電網的電壓相疊加，達到額定電壓值；當電網電壓高於額定電壓值時，開關電路的自關斷器件Tl和Τ2的導通時間會分別在交流電正負半周期內自動調整到某一定值，經輸出濾波電感L2和輸出濾波電容器C4濾波後，隨交流電壓正負半周期波形周期式工作，進而實現交流電壓的平均值穩定，脈衝寬度β越寬，輸出的電壓越高。濾波電感LI和L2在電路中還起到限制電流瞬間過大的作用，以保護自關斷器件和二極體，同時減小對電網的衝擊。該電路的濾波電感LI和L2的電感值較小，可採用軟磁材料製成的磁環或瓷罐製作。如將濾波電感LI和L2設置成屏蔽罩，由於該電路不含電源變壓器，因此可抗電磁輻射，特別適用於防電磁炸彈的襲擊和電磁幹擾的軍用電設備。利用本實用新型無電源變壓器交流穩壓電路作為一個單元，進行多單元組合後，可得到多相無電源變壓器交流穩壓電路。本實用新型的有益之處在於:無電源變壓器交流穩壓電路，減小了電路的體積和重量，提高了電源效率，在一定範圍內可以替代現有的交流穩壓電路。由於電路中不含電源變壓器，因此用該電路製成的交流穩壓裝置可降低金屬銅和矽鋼片資源的消耗，減少生產產品的對環境的汙染。
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以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步詳細說明。圖1為無電源變壓器交流穩壓裝置的電路原理圖圖中標號:I開關電路2電壓檢測電路3整流電路4隔離驅動電路5同步控制電路6脈寬調製電路7驅動電路
具體實施方式
本實用新型是一種無電源變壓器交流穩壓電路，圖1是利用本實用新型實施的一種無電源變壓器交流穩壓裝置的電路原理圖，該電路由輸入端L，公共端N，輸入濾波電感L1、輸入濾波電容器Cl、開關電路1，電壓檢測電路2，整流電路3、隔離驅動電路4、同步控制電路5、脈寬調製電路6、驅動電路7、輸出濾波電感L2和輸出濾波電容器C4所構成。該裝置工作時，交流電由輸入端L和公共端N接入，經輸入濾波電感LI和輸入濾波電容器Cl組成的輸入濾波電路濾波後，為開關電路I的正負半周期兩個支路供電。開關電路I的正半周期電能經二極體Dl存儲在儲能電容器C2中，電壓檢測電路2檢測到的負載FZ的端電壓值，經發光管Gl與脈寬調製電路6內的接收管Gl'組成的光電耦合器耦合後，傳給脈寬調製電路6中的控制器PWM，脈寬調製電路6輸出以交流電壓波形的O點為起點、脈衝寬度為β的電壓信號，經驅動電路7在交流電(0-π)區間內驅動開關電路I內的自關斷器件Tl開關工作，當Tl關斷瞬間，儲存在輸出濾波電感L2內的電能經二極體D2釋放到儲能電容器C2 ；開關電路I的負半周期電能經二極體D2存儲在儲能電容器C3中，電壓檢測電路2檢測到的負載FZ的端電壓值，經發光管G2與隔離驅動電路4內的接收管G2'組成的光電耦合器耦合後，傳給脈寬調製電路6中的控制器PWM，脈寬調製電路6輸出以交流電壓波形的η點為起點、脈衝寬度為β的電壓信號，經隔離驅動電路4在交流電(π-2π)區間內驅動開關電路I內的自關斷器件Τ2開關工作，當Τ2關斷瞬間，儲存在輸出濾波電感L2內的電能經二極體D4釋放到儲能電容器C3。當電網電壓低於穩定電壓值時，儲能電容器C2和C3內存儲的電能以電壓形式與電網的電壓相疊加，達到額定電壓值；當電網電壓高於額定電壓值時，開關電路的自關斷器件Tl和Τ2的導通時間會分別在交流電正負半周期內自動調整到某一定值，經輸出濾波電感L2和輸出濾波電容器C4濾波後，隨交流電壓正負半周期波形周期式工作，進而實現交流電壓的平均值穩定，脈衝寬度β越寬，輸出的電壓越高。利用本實用新型無電源變壓器交流穩壓電路作為一個單元，進行多單元組合，可得到多相無電路變壓器交流穩壓電路，製作出多相無電源變壓器交流穩壓裝置。該裝置的濾波電感LI和L2的電感值較小，可採用軟磁性材料磁環或瓷罐製作，如將濾波電感LI和L2進行屏 蔽後，則該裝置可抗電磁輻射，特別適用於防止電磁炸彈和電磁幹擾襲擊的軍用電氣設備。用本實用新型製成的無電源變壓器交流穩壓裝置，體積和重量約是現有交流穩壓器體積和重量的五分之一；電源效率為95-98%，較現有的交流穩壓器技術效率提高一倍多，可在一定範圍內替代現有交流穩壓器；降低了噪音和電磁輻射，可抗電磁幹擾，特別適用於軍用電氣設備；減少了金屬銅和矽鋼片資源的消耗，降低了生產產品的對環境的汙染程度，從而保護了環境。
權利要求1.一種無電源變壓器交流穩壓電路，其特徵是:該電路主要包括開關電路(I)、電壓檢測電路(2)、整流電路(3)、隔離驅動電路(4)、同步控制電路(5)、脈寬調製電路(6)和驅動電路(7);所述的開關電路(I)由正負半周期兩個支路組成，在正半周期支路中，二極體Dl的負極與儲能電容器C2的一端連接後，再與自關斷器件Tl的陽極相連接，電容器C2的另一端與公共端N相連接，自關斷器件Tl的陰極和陽極反向並聯有二極體D2，自關斷器件Tl的陰極連接至輸出濾波電感L2的一端,輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容器C4的一端相連接，C4的另一端與公共端N相連接；在負半周期支路中，二極體D3的正極與儲能電容器C3的一端連接後，再與自關斷器件T2的陰極相連接，儲能電容器C3的另一端與公共端相連接，自關斷器件T2 的陰極和陽極反向並聯有二極體D4，自關斷器件T2的陽極連接至輸出濾波電感L2的一端,輸出濾波電感L2的另一端與輸出濾波電容器C4的一端相連接，輸出濾波電容器C4的另一端與公共端N相連接。
2.根據權利要求1所述的無電源變壓器交流穩壓電路，其特徵是:所述的同步控制電路(5)從所述的整流電路(3)內的控制變壓器B的次級線圈的a端和b端採取交流電壓的同步電位後，在交流電正負半周期內分別傳給所述的脈寬調製電路(6)，作為兩隻自關斷器件導通控制的同步控制電壓。
3.根據權利要求1所述的無電源變壓器交流穩壓電路，其特徵是:所述的電壓檢測電路(2)將檢測到負載FZ的電壓值，經發光管Gl和接收管Gl'組成的光電耦合器耦合後，將電壓信號傳給所述的脈寬調製電路(6)內的控制器PWM，由控制器PWM控制電壓信號的脈衝寬度，電壓信號分兩路輸出，一路輸出給所述的驅動電路(7)驅動所述的開關電路(I)內的自關斷器件Tl開關工作；另一路輸出的電壓信號經發光管G2和接受管G2'組成的光電耦合器耦合後，傳給所述的隔離驅動電路(4)進行放大，驅動所述的開關電路(I)內的自關斷器件T2開關工作。
專利摘要本實用新型公開了一種無電源變壓器交流穩壓電路，該電路主要包括開關電路、電壓檢測電路、整流電路、隔離驅動電路、同步控制電路、脈寬調製電路和驅動電路。該電路採用電容器儲存能量，通過電壓同步檢測電路控制脈寬調製電路分別在交流電正負半周期內驅動兩隻自關斷器件通和斷，電壓檢測電路將檢測到的輸出電壓值經光偶傳給脈寬調製電路，控制輸出的脈衝寬度，由驅動電路驅動自關斷器件實現與交流電壓波形同步的脈寬調製變換，同時將存儲在電容器內的電能以電壓形式與電網電壓疊加，以實現輸出交流電壓的穩定。用該電路製成的交流穩壓器可降低金屬銅和矽鋼片資源的消耗，減少生產產品的對環境的汙染，在一定範圍內可以替代現有的交流穩壓電路。
文檔編號H02M5/275GK203086348SQ20122052148
公開日2013年7月24日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者孫亞娟, 李庚雷, 李香龍, 張煒, 戴學成 申請人:天津工業大學