交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)與反饋

摘 要：交流電源系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，基準(zhǔn)和反饋是它的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。分別介紹了交流電源系統(tǒng)兩種常用的基準(zhǔn)——正弦波電壓和直流電平，及其常用的反饋方式——峰值反饋和平均值反饋，并對(duì)交流電源系統(tǒng)的各種基準(zhǔn)與反饋電路進(jìn)行了分析與比較。結(jié)合自動(dòng)控制理論，剖析了因基準(zhǔn)與反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不當(dāng)對(duì)交流電源系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并給出采用有效值轉(zhuǎn)換電路消除系統(tǒng)靜態(tài)誤差的解決方案。



關(guān)鍵詞：交流電源系統(tǒng); 基準(zhǔn); 反饋; 有效值轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TN710-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0181-03

The reference and feedback of AC power system



WANG Wei， ZHOU Yi-fan

(Avic Shaanxi Aero Electirc Co. Ltd.， Xingping 713107， China)



Abstract：

Actually， AC power system is a closed loop auto-control syetem， in which the reference and feedback are the key parts of the AC power system. Two familiar references which are sine wave and volts DC that used in AC power system are introduced. At the same time， two familiar feedback circuits which are peak value feedback and average value feedback are discussed， then the difference between them are compared. The auto-control theory is used to analyze the influence for AC power system due to the inappropriately design for the reference and feedback. In the end， the solutions for eliminating the static error by applying RMS convert circuit are presented.



Keywords： AC power system; reference; feedback; RMS converter





收稿日期：2011-09-21

0 引 言

交流電源系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)重要環(huán)節(jié)——基準(zhǔn)和反饋。按自動(dòng)控制的要求，若以時(shí)間函數(shù)r(t)表示給定值，以C(t)表示受控量，r(t)與C(t)應(yīng)具有同一性。但在實(shí)際的系統(tǒng)中同一性往往難以得到充分滿足，從而會(huì)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中產(chǎn)生附加的靜態(tài)誤差。

1 關(guān)于交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)

目前，交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)有兩種：正弦波電壓和直流電平。

1.1 以正弦波電壓為基準(zhǔn)的交流電源系統(tǒng)

交流電源系統(tǒng)的輸出電壓是恒頻交流電壓，由于交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)與其輸出電壓具有同一性，因此交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)也應(yīng)是恒頻交流電壓，并且基準(zhǔn)應(yīng)具有較高的穩(wěn)定性。然而交流電源系統(tǒng)輸出的恒頻交流電壓是近似于理想的正弦波電壓，其輸出電壓的穩(wěn)定性是靠PWM控制策略來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。



圖1 以正弦波電壓為基準(zhǔn)的電源系統(tǒng)框圖

在該系統(tǒng)框圖中基準(zhǔn)正弦波電壓為uj，輸出電壓為u(115 V，400 Hz)，它們的關(guān)系為：u/uj=R2/R1。該交流電源系統(tǒng)是一個(gè)二元反饋系統(tǒng)，除了電壓反饋之外，還通過電流互感器M攝取電流反饋信號(hào)形成電流反饋。該電流反饋信號(hào)為高頻信號(hào)兼有調(diào)制Δu的作用。經(jīng)分析電路要求調(diào)制比大于50時(shí)，才能保證系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差及失真度都在1%以下。

反饋電壓Δuf與基準(zhǔn)正弦波電壓uj相加后，得到Δu再經(jīng)PI電路得到Δu′。Δu′的波形如圖2所示。圖3是圖2波形的展開。圖1中逆變電路輸出電壓un的波形見圖4。電流反饋的波形見圖5。



圖2 Δu′的波形

圖3 Δu′的展開波形

圖4 輸出電壓un波形

圖5 反饋電壓uf波形

這個(gè)方案適用于由電子電路組成的電源系統(tǒng)，比如UPS不間斷電源及其他逆變電源。這種電源系統(tǒng)的反饋電路傳輸時(shí)間短，響應(yīng)快，能夠完成及時(shí)反饋的要求，這種電路有根據(jù)基準(zhǔn)去校正輸出電壓波形的功能，因此輸出電壓波形的失真度小，適用于非線性負(fù)載電路。

1.2 以直流電平為基準(zhǔn)的交流電源系統(tǒng)

在發(fā)電機(jī)組成的交流電源系統(tǒng)中，以正弦波電壓為基準(zhǔn)不合適。因?yàn)檫@種電源系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)的，而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的控制電路具有較大慣性，不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋。因此這種電源系統(tǒng)必須用直流電平作為基準(zhǔn)，如圖6所示。圖中穩(wěn)壓管V2由穩(wěn)壓電源U提供工作電流作為基準(zhǔn)，穩(wěn)壓管V2的溫度系數(shù)為10－5~10－6 V/℃。

2 交流電源系統(tǒng)的反饋

交流電源系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔檬菍㈦娫聪到y(tǒng)的輸出電壓，經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò)引回到系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的基準(zhǔn)進(jìn)行比較，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。以正弦波電壓為基準(zhǔn)的電源系統(tǒng)中，反饋量是電源系統(tǒng)的輸出電壓，反饋網(wǎng)絡(luò)是電阻網(wǎng)絡(luò)。以直流電平為基準(zhǔn)的電源系統(tǒng)中，反饋量是電源系統(tǒng)的輸出電壓經(jīng)整流后的直流電壓。但是電源系統(tǒng)的輸出量是交流電壓的有效值，而反饋量卻是輸出電壓的峰值或平均值，反饋量和輸出量不同，致使交流電源系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差。下面就具體電路進(jìn)行分析。

圖6 直流電平基準(zhǔn)

2.1 峰值反饋

峰值反饋的電路見圖6，反饋電壓uf由于C2的作用而反應(yīng)的是輸出電壓的峰值um。uf的波形見圖7。

圖7 uf的波形

圖7所示的Uj=5 V是基準(zhǔn)，uf是反饋電壓，真實(shí)反應(yīng)了輸出電壓的峰值。如果電源系統(tǒng)的輸出電壓受到擾動(dòng)而發(fā)生變化偏離了額定值(115 V)，這時(shí)控制電路工作的占空比隨之變化，占空比變化之后，系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的激磁電流就會(huì)改變，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓將恢復(fù)到額定值。反饋電壓uf和激磁電流的占空比(即控制電路工作的占空比)δ之間的關(guān)系如下。

圖7中，電路工作的周期T、導(dǎo)通時(shí)間ton，則占空比δ=ton/T。有：

uj=Ufmsin ωtb=5

ωtb=arcsin5Ufm

ωtc=π－ωt0

ton=ωtc－ωtb=π－2ωtb=π－2arcsin5Ufm

周期：

T=ωte－ωtb=2π/3

占空比δ：

δ=tonT=π－2arcsin (5/Ufm)2π/3

如果輸出電壓的波峰系數(shù)Um/U≠2時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生附加誤差ΔU。

設(shè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出電壓為Um，波峰系數(shù)為M，則M=Um/UU=Um/M。

當(dāng)波峰系數(shù)為M時(shí)，調(diào)節(jié)電路將系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)節(jié)為：

Um/2=U′



ΔU=U′－U=Um2－UmM=M－22MUm

2.2 平均值反饋

平均值反饋電路如圖8所示。

圖8 平均值反饋電路

圖8中由于電阻R1，R2，R3的存在使得三相電壓源變成三相電流源，反饋電壓uf反應(yīng)是輸出電壓的平均值UCP。與峰值反饋一樣， 如果電壓波形失真將會(huì)產(chǎn)生附加誤差ΔU。

設(shè)系統(tǒng)的實(shí)際輸出電壓為U， 平均值為UCP，即MCP=U/UCP≠1.1，

而調(diào)節(jié)電路將系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)節(jié)為:

U′/UCP=1.1

ΔU=U′－U=1.1UCP－MUCP

=1.1－MUCP

2.3 消除靜態(tài)誤差的解決方案

經(jīng)過分析可知，交流電源系統(tǒng)靜態(tài)誤差的產(chǎn)生是由于電源系統(tǒng)的輸出量是交流電壓的有效值，而反饋量卻是輸出電壓的峰值或平均值，反饋量和輸出量不同導(dǎo)致的。因此，采用由AD637組成的有效值轉(zhuǎn)換電路(見圖9)，將敏感的電機(jī)端有效值電壓轉(zhuǎn)換為直流電平反饋至調(diào)節(jié)電路的比較端，從而滿足系統(tǒng)的同一性，達(dá)到消除靜態(tài)誤差的目的。

其中，電路輸出電壓VOUT=avg×VIN2

圖9 有效值轉(zhuǎn)換電路

3 結(jié) 語

以正弦波電源和直流電平作為交流電源系統(tǒng)的基準(zhǔn)具有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)視不同的應(yīng)用條件選擇使用。同時(shí)，交流電源系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)應(yīng)注意系統(tǒng)的同一性，避免設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生的波形失真及輸出電壓的靜態(tài)誤差。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］趙學(xué)泉，張國(guó)華.新型電子電路應(yīng)用指南(源電路)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995.



［2］李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1990.



［3］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，1990.



［4］M A勞頓.電氣工程師手冊(cè)[M].李廣澤，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.



［5］周平.低失真正弦波逆變電源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（10）：177-179.



［6］劉軍儒，牛萍娟，高鐵成，等.一種高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（2）：1-3.



作者簡(jiǎn)介：

周一帆 男，1974年出生，甘肅定西人，海軍駐興平地區(qū)軍事代表室。

王 煒 男，1968年出生，陜西西安人，陜西航空電氣有限責(zé)任公司。