目前，現(xiàn)有的各類(lèi)民用穩(wěn)壓電源均普遍針對(duì)一般民用電網(wǎng)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，不適合航天發(fā)射計(jì)量測(cè)試的需求。一般說(shuō)來(lái)，民用電網(wǎng)由于負(fù)荷大，電源電壓通常偏低，而航天計(jì)量測(cè)試設(shè)備所用的電網(wǎng)由于采用了逆變不間斷供電技術(shù)，供電容量相對(duì)較小，易受負(fù)荷變動(dòng)的影響，為適應(yīng)多種負(fù)荷的工作需要，電源電壓通常偏高。

普通的交流穩(wěn)壓電源，由于供電波形失真大，過(guò)零檢測(cè)不準(zhǔn)確，易造成輸出電壓不穩(wěn)，另外，由于某些交流穩(wěn)壓電源的一些固有的特點(diǎn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)非線性負(fù)載時(shí)易產(chǎn)生振蕩。這樣就造成的問(wèn)題主要是現(xiàn)有穩(wěn)壓電源不適用于航天計(jì)量測(cè)試的條件，故障率高，使用壽命短，一般不超過(guò)2年，給計(jì)量測(cè)試工作帶來(lái)很大的麻煩。

1 交流凈化穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外交流穩(wěn)壓電源技術(shù)現(xiàn)狀了解和發(fā)展動(dòng)態(tài)的分析，以及對(duì)發(fā)射基地供用電特點(diǎn)的調(diào)查，計(jì)量測(cè)試用精密交流凈化穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案主要考慮2個(gè)方面的內(nèi)容，一是主調(diào)整回路采用正弦能量分配器，在設(shè)計(jì)上主要考慮輸入電壓普遍偏高，且變動(dòng)幅度大，諧波含量豐富的基地供電特點(diǎn)，需要對(duì)正弦能量分配器各元件進(jìn)行參數(shù)的設(shè)計(jì)；二是由于計(jì)量測(cè)試用電對(duì)穩(wěn)壓精度的要求較高，控制電路的設(shè)計(jì)成為研制的關(guān)鍵。

交流凈化穩(wěn)壓電源的基本設(shè)計(jì)思路是，在設(shè)計(jì)正弦能量分配器、采用數(shù)字控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分借鑒目前交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)對(duì)交流凈化穩(wěn)壓電源自身特性的理解，著重克服基地實(shí)際使用中面臨的問(wèn)題，以達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)上述思路，設(shè)計(jì)如圖1所示的交流凈化穩(wěn)壓電源原理框圖。

該方案設(shè)計(jì)以含有功率濾波功能的正弦能量分配器為主回路，控制電路以PIC微處理器為核心，由過(guò)零檢測(cè)電路、電壓采樣電路、波形采樣電路、電平變化電路組成。當(dāng)市電電壓或負(fù)載波動(dòng)引起輸出電壓變化時(shí)，通過(guò)采樣電路和數(shù)字化處理之后，通過(guò)控制電路控制雙向可控硅SCR的導(dǎo)通角，從而改變流過(guò)電感的電流的大小，進(jìn)而改變補(bǔ)償電壓的大小及其相位，最后達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

圖1 原理框圖

電源控制電路要解決的主要問(wèn)題：精密過(guò)零檢測(cè)技術(shù)，誤差放大技術(shù)，振蕩抑制技術(shù)，可控硅導(dǎo)通角精密控制技術(shù)，極速穩(wěn)壓技術(shù)，以克服正弦能量分配器主調(diào)整回路易產(chǎn)生低頻振蕩的缺陷，使長(zhǎng)期穩(wěn)壓精度優(yōu)于±1%，穩(wěn)定時(shí)間減小到10ms。

2 控制電路硬件設(shè)計(jì)與仿真

傳統(tǒng)精密交流凈化穩(wěn)壓電源的改進(jìn)，即數(shù)字監(jiān)控精密交流凈化穩(wěn)壓電源的開(kāi)發(fā)方案根據(jù)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展、數(shù)字化趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器DSP和可編程邏輯控制器PLD、單片機(jī)MPU三者組成數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的比較，綜合經(jīng)濟(jì)和功能實(shí)現(xiàn)的要求，精密交流凈化穩(wěn)壓電源監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)任務(wù)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.1 控制電路中各功能電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列設(shè)計(jì)原則:

• 1.選擇典型電路和微處理器的常規(guī)用法，便于實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。
• 2.系統(tǒng)中模塊設(shè)計(jì)盡可能做到性能匹配，例如選用晶振頻率較高時(shí)，存儲(chǔ)器存取時(shí)間有限，應(yīng)該選擇允許存取速度較高的芯片。
• 3.微處理器外接電路較多時(shí)，必須考慮其驅(qū)動(dòng)能力和電平配合。
• 4.系統(tǒng)硬件配置與應(yīng)用軟件方案統(tǒng)籌考慮，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。
• 5.可靠性和抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分，它包括芯片、器件選擇、電氣隔離等。

2.1.1市電同步正弦波電路

該部分電路的作用是獲得與市電同步的正弦波。因?yàn)榕c市電同步的正弦波是以后產(chǎn)生與市電同步脈沖波的基礎(chǔ)，而整個(gè)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的工作都是按照與市電同步的脈沖波的時(shí)序來(lái)進(jìn)行的，系統(tǒng)監(jiān)控核心PIC單片機(jī)處于中斷工作方式，與市電同步的脈沖波是它的中斷觸發(fā)信號(hào)，可見(jiàn)這部分電路的作用十分重要。

2.1.2 同步脈沖波電路

交流凈化穩(wěn)壓電源是根據(jù)輸出電壓的大小改變晶閘管導(dǎo)通的相位角來(lái)穩(wěn)定電壓的，這個(gè)相位角由眾多因素來(lái)決定,同時(shí)晶閘管觸發(fā)脈沖必須與交流信號(hào)同步,而交流過(guò)零點(diǎn)脈沖的提取是確定相位角的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確無(wú)誤的捕獲它,才能準(zhǔn)確確定相位角。

當(dāng)為整流濾波型負(fù)載時(shí),使其交流輸入電流為嚴(yán)重的非正弦波,使輸出電壓波形平頂化,并最終影響到過(guò)零采樣點(diǎn)處的電壓幅值和波形，這是造成普通控制電路控制的凈化型交流穩(wěn)壓電源振蕩的主要原因，波形示意圖如圖2，3所示。

圖2 市電同步正弦波電路波形示意圖

圖3 市電同步脈沖示意圖

這里選取的方案是與市電同步的正弦波先通過(guò)一片LM339組成的比較器得到方波，然后通過(guò)一片LM339組成的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)一片線性光耦TIL117進(jìn)行光電隔離，得到與市電同步的脈沖波。脈沖波的上升沿十分陡峭，而且使用了線性光耦TIL117進(jìn)行光電隔離，保證數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)免受其他外來(lái)噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的隔離。

光電隔離器傳輸信號(hào)采用光電轉(zhuǎn)換原理，使信號(hào)輸入端與信號(hào)接受并輸出端實(shí)現(xiàn)電絕緣。因此，可以消除輸入回路中噪聲信號(hào)、共地雜波等對(duì)輸出回路的信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)到交流或脈沖信號(hào)間的傳送，如圖4所示。

圖4 市電同步脈沖電路原理圖

圖5 電壓采樣電路原理圖

2.1.3 電壓采樣電路

任何一個(gè)含有智能處理單元的電路系統(tǒng)中，采樣信號(hào)處理的好壞，對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能都起著至關(guān)重要的作用。這是因?yàn)?，一方面采樣電路的好壞，關(guān)系到能否為智能處理單元提供正確、穩(wěn)定的采樣信號(hào)，如實(shí)地反應(yīng)電路系統(tǒng)的狀態(tài)；另一方面，質(zhì)量?jī)?yōu)異的采樣信號(hào)為相應(yīng)的電路提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量和穩(wěn)定性提供了保障。電源實(shí)際控制電路的設(shè)計(jì)中，為提高整個(gè)交流穩(wěn)壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓精度和系統(tǒng)故障檢測(cè)功能，在穩(wěn)壓電源的輸入電壓和輸出電壓都設(shè)置了采樣電路。

輸出電壓采樣值的精確與否對(duì)本數(shù)字監(jiān)控式精密凈化穩(wěn)壓電源技術(shù)指標(biāo)的提高的影響是十分關(guān)鍵的，因?yàn)楦鶕?jù)輸出電壓采樣值來(lái)計(jì)算可控硅觸發(fā)脈沖的起始時(shí)間，以達(dá)到監(jiān)控的目的。輸出電壓進(jìn)行采樣的同時(shí)，加上了電壓限幅電路和高頻濾波電路。 先把輸出電壓通過(guò)全波整流，轉(zhuǎn)換為紋波較小的脈動(dòng)直流，然后通過(guò)兩個(gè)二極管組成的限幅電路，最后通過(guò)RC電路進(jìn)行高頻濾波，送入PIC單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口，如圖 5所示。

另外，為了實(shí)時(shí)的相對(duì)準(zhǔn)確的顯示輸入電壓和輸出電壓的波形，還設(shè)計(jì)了波形采樣電路及信號(hào)處理電路，晶閘管觸發(fā)電路,報(bào)警電路,控制電路供電電源等等這里不一一敘述。

2.2 電源主回路仿真

在確定電路主回路參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用PSPICE的電路仿真能力，對(duì)于主回路中各參數(shù)的作用做了較為詳細(xì)的研究，仿真圖如圖6所示。

圖6 凈化穩(wěn)壓電源主回路仿真示意圖

圖7 輸出電壓與可變電感曲線關(guān)系圖

圖8 輸出電壓與負(fù)載阻抗曲線關(guān)系圖

在電源主回路的仿真研究中，為了清晰的、直觀的顯示主回路參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響，假設(shè)電源主回路其他元件參數(shù)固定不變。單獨(dú)分析可變電感L在(38.7mH-200 mH)變化時(shí)，輸出電壓呈現(xiàn)了逐漸下降的趨勢(shì)。

這種主回路元件參數(shù)的組合，在沒(méi)有控制電路穩(wěn)壓控制的時(shí)候，最大電壓輸出值達(dá)到280V，最小電壓輸出值可以達(dá)到160V，如圖7所示，如顯然難以滿足穩(wěn)定輸出電壓的要求，但只要通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)晶閘管控制角的相應(yīng)改變，可變電感值必然發(fā)生相應(yīng)變化，輸出電壓的變化趨勢(shì)一定會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可以達(dá)到電源穩(wěn)壓的目的。

在交流穩(wěn)壓電源的實(shí)際使用中，影響電源穩(wěn)壓特性的因素很多，而電源負(fù)載阻抗的復(fù)雜特性和大小變化也是其中的重要影響元素。那么電源負(fù)載阻抗的變化，對(duì)于穩(wěn)壓電源輸出電壓的影響到底怎么樣呢？假設(shè)電源負(fù)載阻抗從空載阻抗一直變化到滿載阻抗，穩(wěn)壓電源的輸出電壓變化規(guī)律怎么樣呢？

這里，設(shè)交流穩(wěn)壓電源空載時(shí)，負(fù)載阻抗值為1KΩ；滿載時(shí)，設(shè)定其負(fù)載值為50Ω。如圖8 所示，在主回路其他元件參數(shù)固定的情況下，負(fù)載阻抗的變化，確實(shí)可以引起輸出電壓的相應(yīng)變化。當(dāng)負(fù)載阻抗從滿載阻抗增大時(shí)，輸出電壓相應(yīng)的呈增大趨勢(shì)。

圖9 輸出電壓與感性阻抗曲線關(guān)系圖

圖10 輸出電壓與容性阻抗曲線關(guān)系圖

交流穩(wěn)壓電源的實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載阻抗的表現(xiàn)為感性的情況較多。當(dāng)負(fù)載阻抗存在感性阻抗時(shí)，交流輸出電壓值相應(yīng)的產(chǎn)生變化。在交流穩(wěn)壓電源主回路其他元件參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓隨感性負(fù)載的增大，呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，如圖9所示。

圖10中所示的這種變化關(guān)系，是一種理想的變化狀況，在實(shí)際的電源使用中負(fù)載的變化規(guī)律復(fù)雜，但是這樣的關(guān)系直觀的表達(dá)了感性負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的變化規(guī)律。

交流穩(wěn)壓電源的實(shí)際應(yīng)用中，電源負(fù)載的特性復(fù)雜，容性阻抗作為阻抗類(lèi)型的一種，到底對(duì)于交流穩(wěn)壓電源的輸出電壓影響作用如何，本文在規(guī)定其他主回路元件參數(shù)不變的基礎(chǔ)上做了仿真分析。

圖10中顯示，容性阻抗在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)容性阻抗逐漸增大時(shí)，輸出電壓呈上升趨勢(shì)。但是當(dāng)容性阻抗超出這個(gè)范圍后，輸出電壓隨著容性阻抗逐漸增大而逐漸減小。這種固定其他因素不變，單獨(dú)反映容性阻抗的影響作用的曲線圖，從一個(gè)側(cè)面直觀的反映了電源負(fù)載阻抗對(duì)于輸出電壓影響的復(fù)雜性。

圖11 輸出電壓與可變電感并聯(lián)電容曲線關(guān)系圖

圖12 輸出電壓與濾波電容曲線關(guān)系圖

交流凈化穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓原理是通過(guò)改變晶閘管導(dǎo)通角的大小，來(lái)改變可變電感的大小，進(jìn)而改變可變電感與并聯(lián)電容組成的電抗屬性和大小，通過(guò)控制電路從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出。所以，并聯(lián)電容的選取很關(guān)鍵。

圖11中顯示，一定范圍內(nèi)增大并聯(lián)電容，減小可變電感與并聯(lián)電容組成的電抗值，輸出電壓呈下降趨勢(shì)。但是，當(dāng)并聯(lián)電容增大超過(guò)一定范圍后，對(duì)輸出電壓的影響作用變化不定，這樣會(huì)影響電源工作的穩(wěn)定性，這也為主回路并聯(lián)電容大小的選取提供了必要的指導(dǎo)。

在交流凈化穩(wěn)壓電源主回路的設(shè)計(jì)中，有專門(mén)諧振于市電3倍頻和5倍頻的濾波電容和電感的設(shè)計(jì)，除此之外，在交流凈化穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，與電源負(fù)載并聯(lián)的濾波的電感的設(shè)計(jì)也很重要，它在一定意義上將極大的影響交流凈化穩(wěn)壓電源的低通濾波特性。從圖12中可以清晰看出，濾波電容的選取不宜太大，太大會(huì)對(duì)電源的工作穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

3.樣機(jī)穩(wěn)壓性能測(cè)試

交流穩(wěn)壓電源中，負(fù)載變化、主回路參數(shù)、輸入電壓等因素會(huì)引起輸出電壓的變化。在實(shí)際交流穩(wěn)壓電源的應(yīng)用中，各種相關(guān)因素是不斷變化的，而輸出電壓最大限度保持恒定的能力是用戶最關(guān)心的事情。樣機(jī)經(jīng)性能測(cè)試，其指標(biāo)完全符合設(shè)計(jì)要求，后在計(jì)量站進(jìn)行了實(shí)際試用，效果良好。

圖13是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)物圖片，為說(shuō)明其主要性能表現(xiàn)，給出了穩(wěn)壓電源在5KW輸出負(fù)載時(shí)，通過(guò)調(diào)壓器對(duì)輸入電壓進(jìn)行突變調(diào)節(jié)時(shí)，圖14所示實(shí)測(cè)的輸入輸出比對(duì)波形, 圖15所示外場(chǎng)實(shí)測(cè)的輸入輸出比對(duì)波形。

圖13 高穩(wěn)定度精密供電電源樣機(jī)實(shí)物圖

圖14 實(shí)測(cè)輸入輸出比對(duì)波形（上波形為輸入，下波形為輸出）

圖15 外場(chǎng)實(shí)測(cè)輸入輸出比對(duì)波形（上波形為輸出，下波形為輸入）

從圖14中明顯看出，穩(wěn)壓精度優(yōu)于±1%，穩(wěn)壓輸出的調(diào)整速度不大于10ms，表明研制的穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的性能。從圖15中可以看出，外場(chǎng)實(shí)際的輸入電壓波形得到了很好的改善，輸出電壓可以滿足實(shí)際需求。

4.總結(jié)

通過(guò)交流凈化穩(wěn)壓電源仿真模型的建立，實(shí)現(xiàn)了電源主回路的仿真，進(jìn)一步明確了主回路各元件參數(shù)對(duì)電源輸出電壓的影響，為主回路參數(shù)的斟酌選取提供了理論指導(dǎo)，并且克服了實(shí)際設(shè)計(jì)中器件更換繁瑣的缺點(diǎn)，對(duì)于各元件參數(shù)的影響有了直觀的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)對(duì)樣機(jī)穩(wěn)壓性能的實(shí)際測(cè)試證明，樣機(jī)的穩(wěn)壓性能可以很好的滿足基地對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定要求，并且在實(shí)際試用中，效果良好。

（本文選編自《電氣技術(shù)》，作者為任賢。）