基于PSp ice的抗電網波動交流穩壓電源的仿真

呂 潔 張曉暉

(無錫職業技術學院機電技術學院,無錫 214121)

基于PSp ice的抗電網波動交流穩壓電源的仿真

呂 潔 張曉暉

(無錫職業技術學院機電技術學院,無錫 214121)

介紹了一種交流穩壓電路,對輸入電壓的波動有比較好的抑制作用,利用PSp ice仿真軟件進行仿真得以證明此電路穩壓性能可靠。

PSp ice;仿真;電壓波動

在諸多電路仿真軟件中,SPICE系列最受歡迎。它是為了執行日益龐大的而復雜的集成電路的仿真工作而發展起來的。

評價一個電源的好壞,主要是看當電網和負載發生變化的時候,電源能否穩定地工作,并且始終把電壓穩定在誤差范圍內。電壓波動就是檢驗電源好壞的一個重要的參數或標準。

1 交流穩壓電源的主電路

我們設計的交流穩壓電源的主電路是在B uck-B oost變換器的基礎上變形改變而來的,見圖1。電路中各個元件是根據B uck-B oost電路參數計算后再在實際仿真的基礎上確定的。圖中標出了各個元件的具體參數。

在這個電路中,我們采用兩個高頻電壓控制開

關作為執行機構,可以直接對交流進行調壓。因為Buck-B oost電路輸入端的電流不連續,對電網會造成一定的污染,所以在主電路的輸入端用L1和C1構成一個LC濾波網絡,可以保證輸入端電流的連續,又可以使輸入電流的紋波減小,以達到減少對電網污染的目的。電感L2是一個儲能元件,它是電源和負載之間的主要能量傳遞者,能夠保證負載上的電流保持連續的狀態。電容C2用來消除輸出電壓的波形脈動,同時可以維持負載端電流的連續,起到一個濾波的作用。

采用脈寬調制(PWM)的方法來控制高頻電壓控制開關S1和S2,通過它們的通斷來調節占空比。它們是一對互補的開關,開關頻率是由控制回路所決定的,頻率大小和PWM控制回路中鋸齒波發生器的頻率相同。這個電路可以提供某一輸出電壓值,此值與輸入電壓值相比或大或小,其大小取決于S1和S2的占空比。

圖1 PWM反饋控制下的AC/AC變換電路電路圖Fig.1 The circuitof AC/AC transfo rm w ith PWM feedback con tro l

電路中電感采用了高頻磁芯,可以有效的降低器件的重量和發熱量。通過仿真,可以得出:此電路糾正了B uck-B oost電路的輸入不連續的缺點,在連續工作的條件下,電路的輸入輸出電流都是連續的。同時這個電路的調壓范圍比較大,反應速度快,調壓的精度高。

出于將來調試安全性的考慮,因此不直接把這個電路接到電網上,而是通過一個隔離變壓器連接到電網上。電路輸入端連接變壓器副邊,變壓器原邊接到電網電壓220V,副邊電壓為85.42V,在仿真電路中,用一個頻率50H z,大小為85.42V的正弦交流電壓來模擬。負載采用360Ω的電阻。

在輸出端并聯上R1和R2兩個取樣電阻,取樣電壓Vx就是電阻R2上的分壓。由于反饋控制電路在實際中是用芯片來實現的,芯片工作電壓比較小,所以在選取取樣電阻的大小時,一般R1要比R2大很多。在選擇基準電壓時,我們以85.42V為參照標準?；鶞孰妷篤f就是理想電壓85.42 V在R2上的分壓。

取樣電壓Vx取絕對值后加到減法器D1的同相端,基準電壓Vf取絕對值后加到減法器D1的反相端。為了消除閉環振蕩,D1輸出誤差電壓Vc通過一個RC環節以及限幅放大器L1后加在減法器D2的反相端。一般芯片的工作電壓為8V或者12V,所以限幅放大器把電壓限制在±8.1 V。一個固定頻率的鋸齒波發生器產生鋸齒波信號加到D2的同相端,這個鋸齒波的大小為±8.1V,與誤差信號Vx的大小范圍重合。D2的輸出信號經過限幅放大器L2后就為一系列矩形波,接到兩個電壓控制開關上。L2的放大倍數比較大,這是為了得到前后沿比較陡的方波信號。由于兩個電壓控制開關的開關電壓為±1V,所以L2的輸出電壓限制在±1.1V。這個方波信號的占空比θ隨誤差電壓Ve變化,而Ve的變化則反映了輸入電壓與輸出電壓之間的關系,通過反饋,可以穩定輸出電壓的幅值。

2 電路抗電壓波動的仿真實驗

電壓的波動是指電壓的幅值偏離了正常值。一般的用電器工作不會受太大的影響,但是一些精密的儀器就不能承受這種波動了,必須要依靠穩壓電源把電壓穩定在誤差范圍內,而穩壓電源抗電壓波動的性能也作為評價其性能好壞的一個重要依據。

我們采用在電壓輸入端疊加與輸入電壓源同頻率同相位電壓源的方式來模擬電壓偏離正常值30%的情況,電路圖見圖2。

在這里,只需要改變輸入電壓的幅值。因此,輸入端疊加了四個與輸入電壓源同頻率的正弦電壓。大小都是輸入電壓85.42V的30%,即26V。各個電壓源的參數設置如下:

V5:大小26V,與V1反向,延遲時間40m s

V6:大小26V,與V1同向,延遲時間80m s

V7:大小26V,與V1同向,延遲時間120m s

V8:大小26V,與V1反向,延遲時間160m s

輸入端的電壓在0～40m s保持不變,40～80m s電壓下降30%,80～120m s電壓恢復到開始的狀態,120～160m s電壓上升30%,160m s以后又恢復到開始的狀態。

3 仿真結果

圖2 輸入電壓波動30%的仿真電路圖Fig.2 The sim u lation circuit of input vo ltage fluc tuation 30%

我們用PSp ice軟件中的電壓測量指針來分別測量電路的輸入端和輸出端兩個電壓,來分析輸出電壓在輸入電壓波動30%的情況下的變化情況。圖3上圖為輸入電壓,下圖為輸出電壓。從仿真波形圖中可以看出,0～40m s時,輸入電壓只有V1起作用,輸入電壓為85.42V,因為占空比為0.5,輸出電壓與輸入電壓大小相等,相位相反,也為85.42V; 40～80m s時,V5開始起作用,大小26V,與Vi反向,因此兩個電壓疊加,相當于輸入電壓減少了30%,從圖中可以看出,輸入電壓波形下降明顯,而輸出電壓則保持85.42V;80～120m s時,V6開始起作用,大小26V,與V1同向,因此三個電壓疊加,相當于輸入電壓恢復到初始值;120～160m s時,V7開始起作用,大小26V,與Vi同向,四個電壓疊加,相當于輸入電壓增加30%,輸入電壓波形上升明顯,而輸出電壓則始終保持85.42V。

圖3 輸入電壓波動30%的波形圖Fig.3 The osc illog ram of inpu t vo ltage fluc tuation 30%

4 結 論

當輸入電壓偏離正常值時,無論是輸入電壓向上波動30%到112 V,或者是向下波動30%到 60V,PWM反饋控制回路輸出的脈沖方波能夠及時的對主回路進行調整,使得輸出的電壓波形幾乎沒有受到什么影響。也證明了此電路有良好的抗電壓波動的性能。

[1] 鄭光欽.全能混合電路仿真O rCAD PSp ice A/D V 9[M].北京:中國鐵道出版社,2000.

[2] 賈新章.O rCAD/PSp ice 9實用教程[M].西安:西安電子科技大學出版社,1999.

[3] 張占松.高頻開關穩壓電源[M].廣州:廣東科技出版社,1993.

[4] 邱關源.電路[M].北京:高等教育出版社,2002.

The Sim u la tion o f an AC Stabilized-vo ltage Pow e r Supp ly Restra in the Inpu tVo ltage F luc tua tion Base on Psp ice Sim u la tion So ftw a re

LV Jie,ZHANG X iao-hui
(M echan ical and Elec trical Institu te,W ux i Institu te of Techno logy,W ux i 214121,China)

The paper p resen ts an AC stabilized-vo ltage pow er supp ly w h ich can restrain the inpu t vo ltage fluctuation.W e sim u late the circus using PSp ice sim u lation softw are and the resu lt show s that it has the charac teristic ofw ide-regu lation-range.

PSp ice;sim u late;vo ltage fluc tuation

TM 727

A

1671-7880(2010)01-0032-03

2009-11-25

呂 潔(1979— ),女,講師,碩士,主要研究方向:自動控制。