單相交流穩(wěn)壓器的原理分析

邵 民

新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453000

單相交流穩(wěn)壓器根據(jù)調(diào)壓原理可分為兩類：一類是補(bǔ)償式穩(wěn)壓器。另一類是伺服式穩(wěn)壓器。單相交流穩(wěn)壓器調(diào)壓的工作原理雖有不同，基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，如圖所示：

電壓調(diào)節(jié)控制是控制輸出電壓是否升高或降低，是穩(wěn)壓器的最主要部件。穩(wěn)壓器一般按控制調(diào)節(jié)方式劃分分類。取樣電路對穩(wěn)壓器的輸出電壓進(jìn)行檢測，將輸出電壓變化按一定比例傳送到控制電路?？刂齐娐穼⑷有盘柵c基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差調(diào)整信號，經(jīng)整形放大后送到驅(qū)動控制，輸出電壓升高時，產(chǎn)生電壓降低控制信號，驅(qū)動控制電路通過電壓調(diào)節(jié)控制將輸出電壓降低，輸出電壓降低時則相反控制。驅(qū)動控制電路是將誤差調(diào)整信號進(jìn)行功率放大后，控制電壓調(diào)節(jié)電路，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定，構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋。輸出保護(hù)則常采用繼電器、接觸器、熔斷保險等元件，實(shí)現(xiàn)開機(jī)延時，過流、過壓等保護(hù)功能。顯示電路是將工作、保護(hù)等信息通過顯示器顯示出來，便于監(jiān)視運(yùn)行狀況。

兩類單相交流穩(wěn)壓器的原理區(qū)別就是調(diào)節(jié)方式，補(bǔ)償式穩(wěn)壓器是通過控制繼電器或晶閘管改變變壓器的輸出抽頭來調(diào)節(jié)輸出電壓。由主變壓器T1和補(bǔ)償變壓器T2組成.補(bǔ)償變壓器與主變壓器串聯(lián)在回路中,調(diào)整補(bǔ)償壓變壓器T2與主變壓器的相位關(guān)系，輸出電壓Uo就可以在一定范圍內(nèi)得到補(bǔ)償。一般補(bǔ)償為20V，如輸入電壓Ui為200V時，Uo=Ui+20V=220V。當(dāng)輸入電壓Ui為240V時，Uo=Ui-20V=220V。通常補(bǔ)償變壓器由多組構(gòu)成，以擴(kuò)大穩(wěn)壓范圍。補(bǔ)償?shù)南辔豢刂埔话阌衫^電器或晶閘管實(shí)現(xiàn)。這類穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，容量較大，成本低。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓精度低，尤其是繼電器控制，在動作時電源瞬間中斷，并產(chǎn)生電磁干擾，不能為計算機(jī)等電子設(shè)備穩(wěn)壓。

要求較高的穩(wěn)壓器一般采用伺服式穩(wěn)壓器，這類穩(wěn)壓器利用自耦變壓器調(diào)壓原理制成的.由伺服電機(jī)通過減速裝置來驅(qū)動滑動臂，當(dāng)輸入電壓高于220V時, 滑動臂向下，自耦變壓器工作在降壓狀態(tài),當(dāng)輸入電壓低于220V時, 滑動臂向上，自耦變壓器就工作在升壓狀態(tài)。輸出電壓連續(xù)且精度較高。但受自耦變壓器制造工藝的限制,容量不能做得太大,適用于小功率穩(wěn)壓。

目前，采用伺服電機(jī)自動調(diào)整自耦變壓器加補(bǔ)償變壓器的工作方式，來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓器功率和精度的兼顧，被廣泛使用。補(bǔ)償變壓器提供補(bǔ)償電壓,補(bǔ)償電壓的大小和方向根據(jù)補(bǔ)償變壓器滑動臂的移動都來改變,從而得到了方向、大小都可以改變的補(bǔ)償電壓,與輸入電壓進(jìn)行矢量疊加，得到穩(wěn)定的輸出電壓。實(shí)現(xiàn)無間斷、精度高、功率較大的穩(wěn)壓。下面分析一款實(shí)用10KVA雙變壓器大功率穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓原理，電路原理圖如下。

電壓調(diào)整電路： B1為自耦調(diào)壓變壓器，B2為補(bǔ)償變壓器。繞組①、②為自耦調(diào)壓變壓器B2的主繞組，線徑粗，匝數(shù)較少，作為主輸出繞組，與補(bǔ)償變壓器B1⑤、⑦繞組串聯(lián)。B2的副繞組③、④，并聯(lián)在變壓器B1的160V抽頭⑥和滑動臂⑧之間，給③、④繞組提供補(bǔ)償電壓。電源輸入通過斷路器接B2的輸入，經(jīng)過B1電壓補(bǔ)償后輸出穩(wěn)壓的220V。在繼電器J后輸出。

如果輸入電壓大于220V時，伺服電機(jī)拖動的滑動臂向上方移動。這時B2③、④副繞組電流減小或與B2①、②繞組電流相位相反，減弱B2主磁通，降低了B2主繞組的輸出電壓。如果輸入電壓低于220V時，滑動臂⑧向下方移動。則B2副繞組③、④的電流相位與B2①、②繞組電流相位相同，對B1主磁通產(chǎn)生增強(qiáng)作用，輸出電壓升高。當(dāng)輸入電壓為220V時，滑動臂⑧移動到⑥的位置。副繞組③、④兩端電壓為0V，沒有補(bǔ)償作用。伺服電機(jī)的滑動臂安裝在環(huán)形變壓器B1的中間，通過控制電路和驅(qū)動電路完成電壓調(diào)整。

B1抽頭⑥設(shè)置在160V處，當(dāng)輸入電壓160V時滑動臂移動到B1的最下端⑦處，加在補(bǔ)償繞組③、④上的電壓為160V，補(bǔ)償后②端輸出220V。則①、②繞組上的電壓為60V。B2兩個繞組電壓比約為1:2.66。當(dāng)滑動臂移動到B1最高端⑤時，③、④繞組加反向60V，則①、②繞組的反向電壓約為22.5V。由此，該穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓范圍在160V～242V之間。

電源電路：

1）由D1、D2全波整流，阻容濾波后為U1、U2提供取樣電壓；

2）變壓器B1雙15V輸出給控制電路板提供交流電壓，由D3、D4、D5、D6和C1、C2橋式整流、濾波后產(chǎn)生±20V加在驅(qū)動電路BG1、BG2集電極，驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；

3）由R2、R3、D7、D8穩(wěn)壓成±13V，給運(yùn)算放大器U1、U2提供正負(fù)電源和基準(zhǔn)電壓。4.由7812穩(wěn)壓后給過壓保護(hù)電路提供電源。

控制電路：U2為運(yùn)放HA17741，也有采用LM741，為電機(jī)提供伺服控制信號。③腳通過R8接地，基準(zhǔn)電壓為0V。②腳經(jīng)R12取樣， R5接電位器VR1調(diào)整輸出。輸出電壓220V時，②腳為0V。當(dāng)輸出升高時，取樣電壓升高。②腳為反相輸入端，輸入電壓升高使⑥腳輸出為負(fù)電壓。BG2導(dǎo)通驅(qū)動電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，使滑動臂向B1上方移動，為B2提供反向補(bǔ)償電壓，降低輸出電壓。當(dāng)滑動臂轉(zhuǎn)到最上端，電壓仍然偏高時，滑動臂觸發(fā)限位開關(guān)K2斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)電壓恢復(fù)正常后，二極管D02為K2斷開時給電機(jī)提供正轉(zhuǎn)通路，否則滑動臂無法返回。當(dāng)輸出電壓小于220V時,取樣電壓降低，②腳為負(fù)壓，⑥腳輸出電壓為正。BG1導(dǎo)通驅(qū)動電機(jī)使滑動臂轉(zhuǎn)向下方，為B2提供正向補(bǔ)償電壓，使輸出電壓升高。K1與D01在升壓過程中作用與K2、D02相同。穩(wěn)壓管D9和VR1等構(gòu)成負(fù)壓偏置電路， VR1電壓與R12的取樣電壓疊加，當(dāng)輸出為220V時，②腳為0V。U2作為一個電壓比較器，對②、③腳電壓進(jìn)行比較，②>③輸出為負(fù)電壓，反之為正電壓。調(diào)整VR1輸出電壓越負(fù)，輸出電壓就會升高。出廠前，在輸入電壓220V時通過調(diào)整VR1使輸出電壓為220V。

保護(hù)延時電路：HA17324為四運(yùn)放U1，也可采用LM324，作為欠壓、過壓和延時控制電路。當(dāng)輸入電壓過高，超過調(diào)整范圍時，U1-d輸出高電平，過壓指示燈亮。同時D13、R28使U1-b也輸出高電平，BG3導(dǎo)通使U1-a③腳接地，①腳為負(fù)壓使BG4截止。繼電器J斷電，穩(wěn)壓器輸出為0，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。C10和C13的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬間波動時，吸收干擾脈沖防止誤動。BG3集電極電阻和電容起延時作用。運(yùn)放U1-c輸入端與U1-d相反，當(dāng)電壓補(bǔ)償后輸出還偏低，⑧腳輸出高電平，欠壓警示燈亮，但不切斷輸出。調(diào)整VR2設(shè)定繼電器釋放的保護(hù)電壓值。