單相交流穩(wěn)壓器的原理分析

邵 民

新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院，河南新鄉(xiāng) 453000

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

電壓調節(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)壓器一般按控制調節(jié)方式劃分分類。取樣電路對穩(wěn)壓器的輸出電壓進行檢測，將輸出電壓變化按一定比例傳送到控制電路。控制電路將取樣信號與基準電壓進行比較，產生誤差調整信號，經(jīng)整形放大后送到驅動控制，輸出電壓升高時，產生電壓降低控制信號，驅動控制電路通過電壓調節(jié)控制將輸出電壓降低，輸出電壓降低時則相反控制。驅動控制電路是將誤差調整信號進行功率放大后，控制電壓調節(jié)電路，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定，構成閉環(huán)負反饋。輸出保護則常采用繼電器、接觸器、熔斷保險等元件，實現(xiàn)開機延時，過流、過壓等保護功能。顯示電路是將工作、保護等信息通過顯示器顯示出來，便于監(jiān)視運行狀況。

兩類單相交流穩(wěn)壓器的原理區(qū)別就是調節(jié)方式，補償式穩(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節(jié)輸出電壓。由主變壓器T1和補償變壓器T2組成.補償變壓器與主變壓器串聯(lián)在回路中,調整補償壓變壓器T2與主變壓器的相位關系，輸出電壓Uo就可以在一定范圍內得到補償。一般補償為20V，如輸入電壓Ui為200V時，Uo=Ui+20V=220V。當輸入電壓Ui為240V時，Uo=Ui-20V=220V。通常補償變壓器由多組構成，以擴大穩(wěn)壓范圍。補償?shù)南辔豢刂埔话阌衫^電器或晶閘管實現(xiàn)。這類穩(wěn)壓器的優(yōu)點是結構簡單，容量較大，成本低。缺點是穩(wěn)壓精度低，尤其是繼電器控制，在動作時電源瞬間中斷，并產生電磁干擾，不能為計算機等電子設備穩(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壓原理制成的.由伺服電機通過減速裝置來驅動滑動臂，當輸入電壓高于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，采用伺服電機自動調整自耦變壓器加補償變壓器的工作方式，來實現(xiàn)穩(wěn)壓器功率和精度的兼顧，被廣泛使用。補償變壓器提供補償電壓,補償電壓的大小和方向根據(jù)補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償電壓,與輸入電壓進行矢量疊加，得到穩(wěn)定的輸出電壓。實現(xiàn)無間斷、精度高、功率較大的穩(wěn)壓。下面分析一款實用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。

電壓調整電路： B1為自耦調壓變壓器，B2為補償變壓器。繞組①、②為自耦調壓變壓器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繞組提供補償電壓。電源輸入通過斷路器接B2的輸入，經(jīng)過B1電壓補償后輸出穩(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主磁通產生增強作用，輸出電壓升高。當輸入電壓為220V時，滑動臂⑧移動到⑥的位置。副繞組③、④兩端電壓為0V，沒有補償作用。伺服電機的滑動臂安裝在環(huán)形變壓器B1的中間，通過控制電路和驅動電路完成電壓調整。

B1抽頭⑥設置在160V處，當輸入電壓160V時滑動臂移動到B1的最下端⑦處，加在補償繞組③、④上的電壓為160V，補償后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、濾波后產生±20V加在驅動電路BG1、BG2集電極，驅動電機的正反轉；

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

控制電路：U2為運放HA17741，也有采用LM741，為電機提供伺服控制信號。③腳通過R8接地，基準電壓為0V。②腳經(jīng)R12取樣， R5接電位器VR1調整輸出。輸出電壓220V時，②腳為0V。當輸出升高時，取樣電壓升高。②腳為反相輸入端，輸入電壓升高使⑥腳輸出為負電壓。BG2導通驅動電機反向轉動，使滑動臂向B1上方移動，為B2提供反向補償電壓，降低輸出電壓。當滑動臂轉到最上端，電壓仍然偏高時，滑動臂觸發(fā)限位開關K2斷開，電機停轉。當電壓恢復正常后，二極管D02為K2斷開時給電機提供正轉通路，否則滑動臂無法返回。當輸出電壓小于220V時,取樣電壓降低，②腳為負壓，⑥腳輸出電壓為正。BG1導通驅動電機使滑動臂轉向下方，為B2提供正向補償電壓，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等構成負壓偏置電路， VR1電壓與R12的取樣電壓疊加，當輸出為220V時，②腳為0V。U2作為一個電壓比較器，對②、③腳電壓進行比較，②>③輸出為負電壓，反之為正電壓。調整VR1輸出電壓越負，輸出電壓就會升高。出廠前，在輸入電壓220V時通過調整VR1使輸出電壓為220V。

保護延時電路：HA17324為四運放U1，也可采用LM324，作為欠壓、過壓和延時控制電路。當輸入電壓過高，超過調整范圍時，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導通使U1-a③腳接地，①腳為負壓使BG4截止。繼電器J斷電，穩(wěn)壓器輸出為0，實現(xiàn)過壓保護。C10和C13的作用是當電網(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。運放U1-c輸入端與U1-d相反，當電壓補償后輸出還偏低，⑧腳輸出高電平，欠壓警示燈亮，但不切斷輸出。調整VR2設定繼電器釋放的保護電壓值。