1.引言

精密電子儀器設備廣泛應用于家庭、工業生產、辦公自動化、實驗研究、通信工程、醫療等領域，一般均由城市電網供電。城市電網額定電壓為單相220V，是人為規定的理想狀態的電壓。由于來自變壓器的供電線路首端電壓為（220+10%）V、尾端電壓為（220-10%）V，因而要求電氣設備具備一定的抗電網電壓波動的能力。盡管大部分電器設備具有抗電源電壓波動的能力，但是據統計，電源電壓的波動是引起電氣設備故障的原因之一，因此，這些電氣設備需要使用穩壓電源才能保障其正常運行。

穩壓電源是對電網電壓起穩定作用的設備，在我國已應用多年，如：伺服電機帶動調壓變壓器的滑動觸點式、可變電抗器式、磁飽和式自動穩壓電源等。

上述穩壓電源原理上都是對電網電壓取樣，經過比較處理和使用伺服電機或無觸點開關進行調整，以使交流電壓穩定輸出。這類穩壓電源一般穩壓效果較差，精度在1%“0.5%。

目前的交流穩壓電源主要存在下列問題：

（1）使用非線性電抗器往往帶來諧波，對電網電壓波形質量沒有改善，有的還帶有附加波形失真對電網造成諧波污染。

（2）采樣時間和執行機構動作時間過長。

這兩個環節對穩壓器性能影響較大，采樣方式一般采用有效值或平均值采樣，至少需要幾個周期；而伺服電機執行調整動作一般需幾秒到幾十秒，時間過長且對電壓波形沒有改善作用。這些穩壓方法，對電網電壓中變化速度較快的干擾諸如浪涌、下陷、脈沖干擾和高頻干擾等來不及反應和執行，造成干擾穿過穩壓裝置到達用電設備，對電氣設備不能起到保護作用，還可能造成電氣設備不能正常運行甚至損壞。

由此可見，在電網電壓發生變化和干擾時，使穩壓電源的輸出電壓快速回到額定值附近，給電氣設備提供波形良好、幅值穩定的正弦交流電壓，對保障其安全正常運行將有很大好處。

2. 瞬時比較交流穩壓方法

下面介紹一種可以改善上述交流穩壓電源不足的交流穩壓新方法，即用瞬時比較法——波形修補技術制作交流穩壓電源，基本原理示意如圖1。

電網電壓uin=額定電壓uS+⊿u

電網電壓uin+控制電壓uC=輸出電壓uout

圖1 波形修補技術示意圖

其中額定電壓uS是由人為規定的理想狀態的電壓，⊿u是電網電壓對額定電壓的偏離，不管大小，只要偏離額定電壓，可由人工制造的控制電壓uC與電網電壓uin進行疊加。若讓人為制作的控制電壓uC等于-⊿u，在⊿u變化時，-⊿u也隨之改變，輸入電壓uin與控制電壓uC疊加后就等于額定電壓uS。在城市電網中，單相額定電壓有效值為220V。

控制電壓的獲得示意如圖2所示。

對于輸入電壓引起的變化，首先將輸入電壓進行采樣，變比系數為1/A，

uin/A=（uS+⊿u1）/A = uS/A+⊿u1/A

人為制造一個參考電壓ur，與電網電壓同頻同相，有效值為US/A，且波形良好。輸入電壓uin的采樣值與ur比較后其差值為⊿u1/A，即uin—ur=⊿u1/A，

然后將此電壓差值和功率放大β倍。

令β=A，則被放大后的值就是⊿u1，再通過耦合變壓器將⊿u1反相疊加到電路中，此時輸出電壓就等于額定電壓，即uout=uS=Aur=βur。此時，由于β是一個放大系數，uout的性能僅與ur有關。

ur是人為產生的實在電壓，可由模擬或數字電路獲得，具有良好性能指標，ur的穩定也就決定了輸出電壓的穩定。

由以上分析看出，瞬時比較交流穩壓方法的實質是：采用輸入電壓與參考電壓進行瞬時比較找出其波形的不足，通過控制電壓的疊加，對輸入電壓波形進行改善和修補，從而達到穩定輸出電壓的目的。輸出電壓的電能質量由ur決定，波形良好、幅值穩定；而輸入電壓僅是給電源內部工作和穩定的電壓輸出提供能量，使用小功率控制電壓得到大功率的穩定輸出電壓。這樣輸出能量由電網提供，控制電壓僅用來修補電網中與額定電壓偏離的波動部分。

同樣，對于輸入電壓不變，而由于負載的變化引起輸出電壓改變時，從輸出電壓端采樣，用類似辦法調整控制電壓uC2，使控制電壓uC2改變，維持輸出電壓穩定，而不影響輸入電壓。

方案實施中出于經濟角度的考慮，為了簡化電路，將上述控制電壓uC1的獲得和控制電壓uC2的獲得在具體電路上合并，得到圖3所示的原理框圖。

由圖3可見，輸入電壓與參考電壓的比較值和輸出電壓與參考電壓的比較值經加法器相加，再由電壓與功率放大電路進行放大，經耦合變壓器得到控制電壓uC，疊加在輸入電壓與輸出電壓之間。控制電壓uC主要用來修補波形、調整電源電壓，同時起到隔離輸入電源和負載的作用。

圖3 簡化電路原理框圖

3．與常規穩壓電源的比較

用上述原理制作的穩壓電源與常規原理制作的穩壓電源相比有如下特點：

（1）響應速度快。由于全部選用高速線性電子器件，瞬時采樣、瞬時執行，控制響應速度極快，毫秒級以下即可完成調整，使輸出電壓快速回到額定電壓附近。因此對于高頻干擾及噪音具有抑制作用，對毫秒級干擾有凈化作用，這是一般穩壓電源做不到的。

（2）輸入電壓適用范圍寬。輸入電壓變化可達30%”50%甚至更多，且可以對稱調節，范圍越寬需提供修補能量越多。控制電壓取值多少主要由需求而定，從經濟實用角度來看，取（8“10）% 為宜。

（3）穩壓精度高。隨參考電壓的產生方式不同，穩壓效果可達1%、0.1%、0.01%。不同精度的穩壓，適用不同要求的場合。1%用于一般穩壓要求場合；0.1%用于實驗室或重要的工業設備；0.01%可用于儀表檢定。

（4）具有綠色電源特點。該方法首先對電網電壓的波形進行修正，修正成良好的正弦波，再對負載進行供電，修補能量多少由需要決定。由于該方法的實質是對電網波形的修正，修正后的波形失真度一般小于1% ”0.5%，因此，該種穩壓方法是綠色的。

（5）具有一定的環保性質。假如輸入電壓不變，由于負載性質的不同引起輸出電壓變化，在一定的諧波范圍內利用控制電壓的相應改變使輸出電壓不變。由于控制電壓具有隔離作用，影響不到輸入電壓，因此，該穩壓方法具有一定的環保性。

（6）工作效率高。該電源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。輸出電壓的容量主要取自電網，而控制電壓一般是電網電壓偏離額定電壓的部分，所以只需消耗制造控制電源的功率，因此效率極高。

以300 VA 輸出電源為例：若電網電壓波動+10%，只需控制+10%電源波動，若制造該控制電源的效率為30%，則需制造該控制電源的消耗功率100 VA ，整機效率為300/（300+100）=75%。且制作控制電源方法效率越高，整機工作效率越高。

以采用逆變方式為例：制作0.01%高穩定度電源，由于AC/DC、DC/AC轉換加上功放器件效率的限制，在不計其他損耗的情況下，其整體效率在30%以下。而用瞬時比較法制作同樣功率的穩壓電源時，只需制作用于修補10%波動的控制電源的功率，即使控制電源制作也采用逆變方式，那么消耗的功率只相當于逆變方式的1/10。顯而易見，在制作高穩定度穩壓電源時，用瞬時比較法相比采用逆變方式的穩壓電源的效率要高得多。

（7）不使用大電感、大電容等低頻濾波器件，體積小、重量輕，輸出波形良好，一般波形失真度在1%“0.5%。

（8）這種穩壓器可與其他穩壓器級聯，在使用時穩定精度范圍設定越窄能耗越小。如前級穩壓器穩定精度為2%時，若需輸出5000 VA的功率 ，則只需制造100 VA 的控制電源，穩定度可達到0.1%以上。

（9）可使用快速保護電路。當負載端瞬時短路故障時，控制電源即刻退出工作。此時，耦合變壓器相當于一個電抗器（耦合變壓器是引入控制電源的變壓器），具有限制短路電流增長的作用，故障消除后，控制電源自行恢復工作。

4．應用效果

最初使用該控制方式研制了補償式穩壓電源，其主導思想是對電網電壓進行負反饋控制，穩定度為0.1%，波形失真度為1%，功率為100VA。由于當時器件選擇受到限制，保護速度跟不上等問題，這種穩壓電源未能得到推廣應用。在其后使用瞬時比較和波形修補技術，對原設計方案、器件選擇、快速保護投入電路等進行了優化處理。經多次改進和試驗，為電能表檢定制作的輸出功率300VA的交流穩壓電源具備了實用功能，實測達到如下指標：

在輸入的電網電壓變化+10%時，用數字電壓表測量，輸出電壓穩定度最大跳字不超過+0.03%/3分鐘，輸出波形失真度＜0.5%。

該穩壓電源具有如下特點：

（1）電路全部由模擬器件組成，具有易選價廉的特點；

（2）該電源的工作原理是小功率控制大功率，具有很高的效率。只需制作30 VA控制功率就可以實現300VA的功率輸出；

（3）輸出功率管不需組合管。在整機輸出功率300VA時，由于只需30VA控制功率，只用一對大功率管輸出即可，且不需要風冷式散熱；

（4）抗干擾能力強。測試中，在該電源同一房間同一供電線路上進行三相電焊作業，輸出電壓不跳字；

（5）由助手按此設計獨立自行制作的穩壓電源具有相同的技術指標，說明該設計方法一致性很好。

5．結論：

瞬時比較法——波形修補技術制作穩壓電源的基本原理是采用輸入電壓的采樣值與參考電壓進行比較，找出其波形的不足，再通過改變控制電壓改善和修補輸入電壓波形、穩定幅值，達到輸出電壓穩定的目的。其實質是利用小功率的控制電源得到大容量的穩定電壓輸出，是一種集綠色、環保、凈化、優質高效于一身的交流穩壓方法。使用該技術研制的交流穩壓電源具有廉價、指標高、成本低、易控制的特點，還可根據需要擴展為大功率的穩壓電源。

使用這種穩壓方法可以為科研、電腦機房、醫療設備、工業自動化設備、通訊設備、照明系統、音響視聽等設備提供優質的交流穩壓電源。

該交流穩壓方法目前已申報國家專利。

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