中心議題：
- 交流穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的工作原理
- 交流穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定度分析
- 交流穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)設(shè)計方法
解決方案：
- CVCF的靜態(tài)設(shè)計
- CVCF的動態(tài)設(shè)計
- CVCF的保護設(shè)計
交流穩(wěn)頻電源，由于其幅值和頻率穩(wěn)定度高，波形失真小，輸出功率大，在電子、機電行業(yè),特別是在精密加工機械、半導(dǎo)體加工設(shè)備的制造、交流儀器儀表的調(diào)校、磁性材料的測量等測試系統(tǒng)中，作為激勵源或信息源得到廣泛的應(yīng)用，也可以取代傳統(tǒng)的電動機－發(fā)電機機組，在航天航空航海和精密加工等行業(yè)得到應(yīng)用。本文系統(tǒng)地介紹穩(wěn)頻穩(wěn)壓（CVCF）電源的構(gòu)成原理，分析CVCF的頻率穩(wěn)定度、相位穩(wěn)定度及幅值穩(wěn)定度的影響因素，并介紹CVCF的系統(tǒng)設(shè)計方法。
1工作原理
交流穩(wěn)頻電源根據(jù)其工作方式可分為波形控制式和逆變器式。波形控制式是將信號源輸出的正弦波信號作為基準,采用線性放大器進行功率放大,通過耦合度高的線性變壓器與負載相連。這種穩(wěn)頻電源波形失真小,穩(wěn)定度高。逆變器式與波形控制式的主電路結(jié)構(gòu)基本相同,只是采用開關(guān)式逆變器取代線性放大器,通過正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(SPWM),使主電路中的電力電子器件工作于超音頻范圍的開關(guān)狀態(tài),輸出正弦波脈寬調(diào)制波,然后再通過濾波電路還原成正弦波,這種穩(wěn)頻電源效率高,無噪聲。但由于工作在開關(guān)狀態(tài),有一定的開關(guān)干擾,波形失真程度較大,其應(yīng)用范圍受到一定的限制。目前,一般多采用波形控制式穩(wěn)頻電源作為測試激勵源,采用逆變器式作為大功率驅(qū)動電源。
根據(jù)輸出交流電源的相數(shù),穩(wěn)頻電源可分為單相式,兩相正交式和三相對稱式。單一輸出量的穩(wěn)頻穩(wěn)壓源由于各相間的相移恒定,因此不需要移相調(diào)節(jié)電路。當輸出物理量既要求有電壓回路,還要求有電流回路,且電壓與電流的相位差要求既能調(diào)節(jié)又能穩(wěn)定以適應(yīng)不同負載時,則相應(yīng)的穩(wěn)頻穩(wěn)壓/穩(wěn)流電源應(yīng)包括電壓和電流輸出回路。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
（a）單相式CVCF (b)兩相正交式CVCF (c)三相對稱式CVCF
圖1 CVCF原理框圖
穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源的穩(wěn)幅原理取決于圖2所示的穩(wěn)幅放大電路。其中精密整流電路將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源輸出的交流電壓取樣,經(jīng)整流變換為幅值與輸出的交流量成正比的直流電壓Uf,穩(wěn)幅放大電路將此Uf作為幅值反饋電壓,并與基準源Uj相比較,取其偏差量Uj－Uf進行積分放大,以改變可變增益放大器的增益。當頻率穩(wěn)定、幅值也穩(wěn)定的信號源輸出的正弦波通過可變增益放大器時,由于其增益取決于偏差量,故使輸入到功率放大器的信號幅值改變,從而自動調(diào)節(jié)其輸出的幅值。如由于某一原因使穩(wěn)壓源的輸出幅值Uo下降時,則經(jīng)過精密整流后的幅值反饋電壓Uf也降低,使比較器的偏差量增大,經(jīng)積分放大后,使可變增益放大器的增益提高,從而使功率放大器的輸入信號增大,穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出幅值Uo增大,以達到幅值穩(wěn)定的目的。
圖2穩(wěn)幅原理框圖
波形反饋環(huán)是將穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出量取樣后,以負反饋的形式反饋到功率放大器的輸入端,使功率放大器的凈輸入信號為輸入信號與反饋信號的偏差。通過這一較強的負反饋以減小功率放大器的非線性失真,使穩(wěn)頻穩(wěn)壓源的輸出波形盡量接近信號源的輸出波形。
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2CVCF的穩(wěn)定度分析
2.1CVCF的頻率穩(wěn)定度分析
CVCF的頻率穩(wěn)定度在很大程度上取決于振蕩器,因此,設(shè)計一個符合要求的振蕩器是CVCF的關(guān)鍵之一。
首先,對任一振蕩器在不考慮電阻R時,其振蕩頻率可用一般表達式表示:
如果由于外界條件使L和C分別變化了△L和△C,則頻率的偏移量為
△f=－(f△C/C＋f△L/L)/2
頻率的相對變化量為
△f/f=－(△C/C＋△L/L)/2（1）
電感的變化量△L取決于溫度和濕度的變化以及機械振動等因素,電容的變化量△C除與濕度和溫度的變化有關(guān)外,還與電路的雜散分布電容、負載電容、元件的老化失效等因素有關(guān)。
其次，振蕩回路的有功負載將影響諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q,從而影響振蕩頻率的穩(wěn)定度。一般來說,Q值越高,頻率穩(wěn)定度越好,反之頻率穩(wěn)定度越差。而諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q為:
Q=ωoL/R=1/（ωoRC）（2）
可見,振蕩回路的有功負載—R的變化,將影響Q值,繼而影響頻率穩(wěn)定度,而諧振回路的有功負載R往往取決于導(dǎo)線的電阻、高頻集膚效應(yīng)、磁心的磁滯、渦流損耗及負載電阻等因素。
再次,電路元件的內(nèi)部相移也將影響頻率穩(wěn)定度。如晶體管由于結(jié)電容的存在,以及少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)的擴散時間的影響,使集電極電流總要滯后于基極輸入電壓的變化,即它們之間存在一個相移角φ，對這一附加相移φ在振蕩器中不可能考慮,因而使總相移增大。另外這一相移φ還隨電源電壓和溫度的變化而變化，這些都可能使諧振電路的頻率產(chǎn)生偏離。
2.2CVCF的幅值穩(wěn)定度分析
若將功率放大器,驅(qū)動電路和波形反饋電路所構(gòu)成的閉環(huán)看成是CVCF的波形環(huán)節(jié),則CVCF的穩(wěn)幅放大電路是一個單閉環(huán)系統(tǒng)。
對于穩(wěn)幅放大電路,其靜態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3所示:K1為波形環(huán)節(jié)的增益,α為精密整流系數(shù),un為給定基準電壓,K2為可變增益放大器的增益 ，所以系統(tǒng)的靜特性方程為:
uO=K1unui/(1＋αK1ui)（3）
當1＋αK1ui ≈ 1時,有uo≈un/α
圖3單閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖
CVCF就是采用改變給定基準電壓的方法來實現(xiàn)輸出幅度調(diào)節(jié)的,所以給定基準電壓和精密整流電路的穩(wěn)定性,將直接影響CVCF輸出幅值的穩(wěn)定度。
單閉環(huán)控制系統(tǒng)的電壓調(diào)整率框圖如圖4所示。該閉環(huán)系統(tǒng)中,積分放大器的傳遞函數(shù)為K2/Tos。在un不變時,精密整流反饋系數(shù)為α,則反饋系統(tǒng)的基本方程是
△uo/uo=K1(△ui/ui－αK2△uo/T0suo)
經(jīng)整理后,得
△uo/uo=(K1△ui/ui)/(1＋αK1K2/T0s)(4)
因為1＋αK1K2/T0s1,則有CVCF的幅值穩(wěn)定電路的輸出幅值穩(wěn)定度和瞬態(tài)響應(yīng)的動態(tài)近似表達式:
△uo/uo≈T0s△ui/αK2ui
圖4電壓調(diào)整率框圖
2.3 CVCF的相移穩(wěn)定度分析
CVCF中常采用圖5所示的有源移相電路。圖中
U＋=( 1/jωC）Ui/(R2＋1/jωC)
U－=(UiRf＋UoR1)/(R1＋Rf)
因為U＋=U－,所以經(jīng)整理得:
(UiRf＋UoR1)/(R1＋Rf)=(1/jωC)Ui/(R2＋1/jωC) (5)
其中φ=φ1＋φ2=tg－1ωCR2Rf/R1＋tg－1ωCR2
若取R1=R2=Rf=R,則得 K=1；φ=2tg－1ωCR
所以 △φ=2(ωR△C＋ωC△R)/{1＋(ωCR)2} (6)
可見,相移角φ的穩(wěn)定度受移相電路中的電容C和電阻R變化的共同作用,它們都受環(huán)境因素的影響,同時,電容C的失效,容量減小以及由于集成電路老化致使內(nèi)部半導(dǎo)體元件的結(jié)電容變化等因素,對相移的長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度指標的影響很大。
圖5有源濾波電路
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3 CVCF的系統(tǒng)設(shè)計方法
CVCF在設(shè)計前,必須明確該系統(tǒng)所要求的技術(shù)指標,根據(jù)這些指標進行系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)設(shè)計,從而明確各單元電路應(yīng)達到的主要技術(shù)指標,合理地分析并選擇各單元電路的類型,然后進行參數(shù)計算,確定電路參數(shù)。還要根據(jù)電路工作特點,合理設(shè)計各種保護電路。
3.1靜態(tài)設(shè)計
就幅值穩(wěn)定系統(tǒng)來說,CVCF幅值閉環(huán)系統(tǒng)框圖如圖6所示。其中比較環(huán)節(jié)△u=un－uf乘法輸出u1=△uui=ui(un－uf)放大器u2=K1u1=K1(un－uf)ui功率放大u0=K2u2=K1K2(un－uf)ui反饋電路uf=αun所以,靜特征方程為:
u0=Kunui/(1＋αKui)（7）
式中K=K1K2。其靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如7所示,根據(jù)靜態(tài)特性方程和系統(tǒng)的技術(shù)指標要求，可以確定各單元電路的技術(shù)指標。如系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定度指標△uo/uo明確后,即可根據(jù)特征方程求出給定基準電壓un的穩(wěn)定度指標△un/un為：
△un/un=(αK1K2ui＋1)△un/K1K2uiun（8）
當αK1K2ui＋11時,有△un/un=α△uo/uo，依此類推可以確定其余各單元電路的技術(shù)要求。
圖6閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖7靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖
3.2動態(tài)設(shè)計
靜態(tài)設(shè)計并沒有考慮各單元電路的延時。事實上,各單元電路均可能存在延時,它們將影響系統(tǒng)的動態(tài)性能,并可能引起系統(tǒng)振蕩。
在幅值閉環(huán)系統(tǒng)中,延時最大的是功率放大器,當考慮驅(qū)動電路在內(nèi)的總延時為Ts時,則功率放大器的傳遞函數(shù)為:
K2/(1＋Tss)（9）
積分乘法器的傳遞函數(shù)為：
ui(1＋Ts)/Ts（10）
反饋電路因有濾波環(huán)節(jié),其傳遞函數(shù)為 α/(1＋Tns)，當忽略小時間常數(shù)時,則得系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu),如圖8所示。
圖8動態(tài)結(jié)構(gòu)圖
當作系統(tǒng)分析設(shè)計時,令T=Ts,選擇積分乘法器傳遞函數(shù)為ui(1＋Ts)/Ts,則校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為
K′/s(Tns＋1)=αK1K2ui/Ts(Tns＋1)（11）
所以K′=αK1K2ui/T。因為TSs＋1≈TSs,選擇積分乘法器的傳遞函數(shù)為ui(1＋Ts)/Ts,則校正的開環(huán)傳遞函數(shù)為:
K′(1＋Ts)/s2(Tns＋1)（12）
根據(jù)系統(tǒng)最終校正即可確定系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)。
3.3保護設(shè)計
CVCF的輸出功率一般為數(shù)百到數(shù)千瓦,使得通過功率器件的電流很大。在實際設(shè)計中,常采用多只功率器件并聯(lián)使用。在并聯(lián)過程中,除了要考慮 均流措施外,還要考慮留有充足的電流儲備。除此之外,還要考慮器件的過電流保護,過電壓保護,di/dt限制保護和du/dt限制保護等。
對于CVCF來說,上述保護的接口問題需要注意,由于CVCF實際上是一個交—直—交電流變換器,中間經(jīng)歷了整流和逆變兩個過程。當逆變過程中某一器件損壞而出現(xiàn)過電流時,勢必引起穩(wěn)壓過程中出現(xiàn)過電流,造成整流穩(wěn)壓器件損壞,繼而引起電網(wǎng)過電流。為了提高系統(tǒng)的可靠性,防止事故擴大,在CVCF設(shè)計中,常將各種保護作用于整流穩(wěn)壓電路,一旦逆變部分出現(xiàn)故障,立即自動關(guān)斷主電路的直流穩(wěn)壓電源,并提供各種報警信號。
