1引言

從應(yīng)用角度來(lái)看,，交流穩(wěn)壓器在許多場(chǎng)合仍為不可缺少的設(shè)備,。從技術(shù)上來(lái)說(shuō),，較穩(wěn)定的交流電壓可以顯著地提高用電設(shè)備的可靠性與經(jīng)濟(jì)性，即使UPS也不例外?，F(xiàn)在電力配電趨向于集中監(jiān)控分布供電的方式,，因此功率容量在20kW～60kW的價(jià)廉物美的三相交流穩(wěn)壓器有較大市場(chǎng)。

提高交流穩(wěn)壓器使用性能,，降低成本,，是交流穩(wěn)壓器的使用價(jià)值所在。這些性能是：

（1）成本較低（即售價(jià)只有市售交流穩(wěn)壓器的一半以下),；

（2）穩(wěn)壓范圍極寬,，源電壓的下限能低至額定電壓的70％以下，上限能達(dá)到額定電壓的115％以上,；

（3）具有較強(qiáng)的對(duì)EMI/RFI的抑制功能；

（4）高可靠性,、大功率,。

具有與UPS這樣鮮明差異的性能要求與使用目的的產(chǎn)品，必有它的市場(chǎng)存在價(jià)值。

能達(dá)到上述性能要求的交流穩(wěn)壓器是自耦變壓器抽頭開(kāi)關(guān)分調(diào)型與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)接觸調(diào)壓變壓器型兩類,。其中第一類又分為繼電器型電磁開(kāi)關(guān)式與電力電子開(kāi)關(guān)型固態(tài)開(kāi)關(guān)式兩種,。這種穩(wěn)壓技術(shù)也分為直接抽頭分級(jí)變比調(diào)壓式與連續(xù)無(wú)級(jí)補(bǔ)償調(diào)壓式。對(duì)上述各類穩(wěn)壓技術(shù)原理分析可知：繼電器開(kāi)關(guān)直接抽頭分級(jí)變化比補(bǔ)償調(diào)壓式成本為低,、結(jié)構(gòu)亦較合理,。

圖1為其電原理圖。該電路的突出優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格最低,、效率最高,、體積最小、重量最輕,；此外還具有輸入范圍寬,、波形失真小、電路簡(jiǎn)單,、可靠等優(yōu)點(diǎn),。缺點(diǎn)是：輸出穩(wěn)壓精度差、調(diào)壓時(shí)會(huì)發(fā)生電壓階躍跳變而產(chǎn)生電磁干擾,；此外繼電器觸點(diǎn)在接通或分?jǐn)嘧儔浩鞒轭^線圈時(shí),，不可避免地會(huì)發(fā)生觸點(diǎn)抖動(dòng)、回跳,，從而產(chǎn)生電弧,、瞬間斷電等電磁干擾和不安全因素；更重要的是繼電器的觸點(diǎn)容量是以電阻性負(fù)載定義的,，用于鐵磁變壓器,、電感性負(fù)載時(shí)要降額使用，一般小于額定值的1/3,。因此,，這種穩(wěn)壓技術(shù)只能用在普通要求不高的小功率交流穩(wěn)壓器上。市面上的“寬限型交流穩(wěn)壓器”就與之類似,。小功率UPS也常用此技術(shù)做輸入電壓調(diào)整器,。

圖1抽頭分級(jí)變比調(diào)壓式電路圖

采用固態(tài)開(kāi)關(guān)固然可以解決上述缺陷，但也帶來(lái)成本顯著提高,、散熱器體積增大,、電路復(fù)雜、可靠性不會(huì)太高等難以解決的弊病,。

除了上述兩種不同類型的控制開(kāi)關(guān)外,，還有第三種控制開(kāi)關(guān)。就是在電磁開(kāi)關(guān)基礎(chǔ)上,，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件作為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與電磁開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)并聯(lián),，電子開(kāi)關(guān)的控制電路與電磁開(kāi)關(guān)的勵(lì)磁線圈并聯(lián),，由電子開(kāi)關(guān)解決開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，電磁開(kāi)關(guān)則承擔(dān)穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)過(guò)程,，構(gòu)成二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的混和型互補(bǔ)式開(kāi)關(guān),。顯然，從系統(tǒng)分析來(lái)看,，對(duì)于應(yīng)用面更廣的電磁開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō),，這種以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)而非折衷，也非取代的技術(shù)補(bǔ)償方法可能是一種較佳的很有意義的解決電磁開(kāi)關(guān)缺陷的方案,。為此,，國(guó)內(nèi)早在70年代末就開(kāi)展了這方面的研發(fā)工作，對(duì)這種混合型互補(bǔ)式開(kāi)關(guān)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),，證明了可取得成本低,、省材料、無(wú)弧通斷,、提高電氣壽命等良好效果,。然而，實(shí)際情況不容樂(lè)觀,?；旌闲烷_(kāi)關(guān)，一方面擁有固態(tài)開(kāi)關(guān)與電磁開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn),，另一方面也繼承了兩者的固有屬性,。以成本為例，它不得不包含兩者的主要成本,，這樣要使之在價(jià)格上與電磁開(kāi)關(guān)競(jìng)爭(zhēng)很困難,。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)此類混合型開(kāi)關(guān)的技術(shù)報(bào)道,、文獻(xiàn)及專利公告為數(shù)不少,，但是能實(shí)用轉(zhuǎn)化為商品的則幾乎沒(méi)有。我們認(rèn)為其中最主要的原因是由于電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的吸動(dòng)和釋放動(dòng)態(tài)過(guò)程是在電磁力與機(jī)械彈力,、吸力與斥力共同作用下進(jìn)行的,，是一個(gè)在時(shí)間上不可控的狀態(tài)函數(shù)。因此要滿足混合型開(kāi)關(guān)中兩類不同開(kāi)關(guān)在時(shí)序控制上的自適應(yīng)互補(bǔ)工作要求,，就得外加一些時(shí)序控制手段,，如加接輔助開(kāi)關(guān)或繼電器，或要占用接觸器上的輔助開(kāi)關(guān),，或要附加工頻電流互感器或光電耦合器對(duì)狀態(tài)采樣等,；或者附加一些不合理的要求，諸如對(duì)電磁開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)更改,、接線方式更改等,；此外在工頻下附加的電子開(kāi)關(guān)電路有較大體積等缺陷,，造成不好用、成本偏高或產(chǎn)生新的可靠性問(wèn)題,，因而很多混合型開(kāi)關(guān)技術(shù)或多或少在體積重量、成本費(fèi)用,、使用要求,、可靠性等方面存在嚴(yán)重缺陷。這是一類有代表性的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,，即有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)方案如何實(shí)現(xiàn)商品化問(wèn)題,。

圖2 電子開(kāi)關(guān)電路原事框圖

2互補(bǔ)型開(kāi)關(guān)分調(diào)式交流穩(wěn)壓技術(shù)

本文提出一種新方法，這種新方法的最主要技術(shù)特征在于將工頻電工技術(shù)問(wèn)題放在高頻段處理,，毫秒級(jí)的電磁開(kāi)關(guān)的不可控開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)問(wèn)題放在微秒級(jí)的高頻電路中解決,。這是以電子化手段把電磁開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)接通或分?jǐn)嗟倪^(guò)渡時(shí)間分解為高頻時(shí)間變量，再加入自適應(yīng)控制方法使之完全可控而得以解決,。這樣,，不但電磁開(kāi)關(guān)的過(guò)渡過(guò)程能被高頻電子開(kāi)關(guān)互補(bǔ)控制，而且電子開(kāi)關(guān)的工作時(shí)間可被控制在最短,，由此解決了上述互補(bǔ)使用上的缺陷,。電子產(chǎn)品的價(jià)格日益下降，為這項(xiàng)新技術(shù)推廣應(yīng)用提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ),。所用的高頻電力電子技術(shù)不但能在解決電磁開(kāi)關(guān)缺陷的同時(shí)保證高可靠性,、低附加成本以及滿足與原有的使用條件完全一致等實(shí)際應(yīng)用要求，而且還能使附加的互補(bǔ)開(kāi)關(guān)組件微型化與輕量化,。由于低壓小功率電子元器件體積小而且價(jià)廉,，因此互補(bǔ)式開(kāi)關(guān)組件的成本主要依賴于電力電子開(kāi)關(guān)器件；而采用低成本觸點(diǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)新技術(shù),，電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間得到有效的控制,，使電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)容量減少了一半，可以基本上不用散熱器,，顯著地降低了成本,，且高頻變換器體積小、功耗低,。這兩項(xiàng)新技術(shù)用于互補(bǔ)式組件,，解決了混合型技術(shù)成本高、體積大的難題,。此外,，由于電子開(kāi)關(guān)的自適應(yīng)互補(bǔ)，電磁開(kāi)關(guān)的操作頻次可以顯著提高,。從理論上來(lái)說(shuō),，只要電子開(kāi)關(guān)有足夠大的散熱器,，則操作頻次僅受電磁開(kāi)關(guān)的吸合時(shí)間與釋放時(shí)間兩個(gè)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間之和的限制，這樣操作時(shí)間可以從秒數(shù)量級(jí)提高到數(shù)十毫秒級(jí),，這對(duì)于需要頻繁操作的特殊應(yīng)用領(lǐng)域,，很有意義。由于新技術(shù)針對(duì)電磁開(kāi)關(guān)不同工作條件與不同負(fù)載采用具有自我防護(hù)的工作方式,，因此保證了電子開(kāi)關(guān)的安全工作與可靠性,，使混合型開(kāi)關(guān)的失效率有可能低于電磁開(kāi)關(guān)。由于高壓半導(dǎo)體器件的價(jià)格仍較高,，因此混合型開(kāi)關(guān)只能局限于低壓電路,，宜作為單極（即SPST－NO、SPST－NC）控制開(kāi)關(guān)電器使用,，這點(diǎn)正適合作為以市電為對(duì)象的分調(diào)開(kāi)關(guān)調(diào)壓電路使用,。

按此原理，我們研制開(kāi)發(fā)成功一種高頻電力電子互補(bǔ)式開(kāi)關(guān)新技術(shù),。以此新方法研發(fā)的新型混合式開(kāi)關(guān)（其核心高頻電力電子互補(bǔ)式開(kāi)關(guān)組件的電原理框圖見(jiàn)圖2,，該組件簡(jiǎn)稱CS）含兩大新技術(shù)。其一是采用廉價(jià)的高頻直流變換器與場(chǎng)控型電力電子開(kāi)關(guān)器件作為CS的核心電路,。高頻直流變換器為成本最低的經(jīng)改進(jìn)的FLYBACK型變換器,。場(chǎng)控型電力電子開(kāi)關(guān)器件，如功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）驅(qū)動(dòng)功率最小,，保證了組件的微型化,。高頻開(kāi)關(guān)變換器為電力電子開(kāi)關(guān)器件提供可控的驅(qū)動(dòng)電壓源，開(kāi)關(guān)變換器工作頻率超過(guò)20kHz,，即可控制的脈寬低于50μs,；此外它具有工作效率高、體積小,、重量輕,、強(qiáng)弱電間電氣隔離良好（使用高頻變壓器）、能適應(yīng)接觸器或繼電器線圈工作電壓不同條件且能加入穩(wěn)壓功能,，保證電力電子開(kāi)關(guān)器件有最合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào),。其二是電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)狀態(tài)低成本實(shí)時(shí)采樣新電路，該電路特點(diǎn)是不需外接電流互感器,、光耦合器等零部件,，在高頻變壓器上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)快速采樣。觸點(diǎn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)就為控制電力電子開(kāi)關(guān)的最佳互補(bǔ)工作創(chuàng)造了條件,。這意味著在滿足互補(bǔ)工作要求下,，可以使電子開(kāi)關(guān)的工作時(shí)間最短?？刂齐娐酚呻娮与娐窐?gòu)成,，它對(duì)電磁開(kāi)關(guān)的激磁線圈電壓及觸點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè),，自適應(yīng)地確定電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)短及電路接通或關(guān)斷的時(shí)序關(guān)系，使得僅在電磁開(kāi)關(guān)吸合接通或釋放斷開(kāi)過(guò)渡期間才讓電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通,，以保證電力電子開(kāi)關(guān)器件有較短的導(dǎo)通時(shí)間,，其余時(shí)間則處于待機(jī)節(jié)電狀態(tài)。這一方面降低了電力電子開(kāi)關(guān)損耗和該組件的功耗,，提高了工作可靠性,；另一方面降低了對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)器件功率容量與電流容量（I2t）的要求，這不但提高了器件的可靠性,，而且也是降低成本之關(guān)鍵。電力電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)容量與I2t直接相關(guān),。對(duì)于以20ms定義開(kāi)關(guān)容量的電力電子開(kāi)關(guān)器件,，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定為4ms時(shí)，其耐浪涌電流能力將提高一倍以上,。這意味著可以使用低一個(gè)檔級(jí)的功率器件,，而且可以不用或只用小容量的散熱器。這是新型互補(bǔ)技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，亦是該新技術(shù)有別于其它混合型互補(bǔ)式技術(shù)的一大特色,；正是此特性才能使之有別于固態(tài)開(kāi)關(guān)，從而確定了其應(yīng)用領(lǐng)域,。由于采用電子技術(shù)與高頻電力電子技術(shù)使得組件功耗極小,，工作電流亦很小，使得在勵(lì)磁電壓斷開(kāi)時(shí)為供給電力電子開(kāi)關(guān)電能而要預(yù)先儲(chǔ)能的問(wèn)題易于解決,，CS全部由電子元器件構(gòu)成,，除電力電子開(kāi)關(guān)器件和極少數(shù)元件外，其它元器件均為小功率且在較低直流電壓下工作,，這就為CS組件的集成化奠定了基礎(chǔ),，集成化將使該組件成本更低、體積更小,。因此,，高頻處理方式具備了實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)式技術(shù)商品化的條件。表1為電子開(kāi)關(guān)基本工作模式表,，表2為三種工作模式下電子開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)要求,，圖3為電力電子開(kāi)關(guān)器件的電路圖，圖4為其開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖,。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2電子開(kāi)關(guān)電路原理框圖

以表1的控制方式,，對(duì)CS組件進(jìn)行嚴(yán)酷條件下

表1電子開(kāi)關(guān)基本工作模式表

表2三種工作模式下電子開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)要求

表2中H表示UV為高電平時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi),。

圖3電力電子開(kāi)關(guān)器件的電路圖

(a)作為直流開(kāi)關(guān)使用時(shí)（b）作為交流開(kāi)關(guān)使用時(shí)

圖4電子開(kāi)關(guān)三種工作模式及其開(kāi)關(guān)狀態(tài)示意圖

（a）電磁開(kāi)關(guān)為常開(kāi)觸點(diǎn)NO時(shí)
（b）電磁開(kāi)關(guān)為常閉觸點(diǎn)NC時(shí)

圖中UC為控制電壓，Uk為電磁開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)上的電壓,，UV1,、UV2、UV3為與電磁開(kāi)關(guān)互補(bǔ)工作三種模式中的電子開(kāi)關(guān)上的電壓,。

的實(shí)驗(yàn),。實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。圖中Ue為幅度等于12V的矩形波發(fā)生器,，用于對(duì)電磁開(kāi)關(guān)的勵(lì)磁供電和控制,；K為JQX15F繼電器，其參數(shù)為：勵(lì)磁電壓為12V,，觸點(diǎn)負(fù)載為220VAC（或28VDC），30A,，阻性,。電力電子開(kāi)關(guān)器件為IRF840，其參數(shù)為：U(BR)DS=500V,，IDM=8A,，RDS（ON）=0.85Ω。T為TDGC－5型5kW調(diào)壓器,，RL為滑線電阻器,，Ri為0.1Ω電阻，用于電流采樣,，IS=URi/Ri,。以電磁開(kāi)關(guān)的兩類嚴(yán)酷工作條件為實(shí)驗(yàn)條件分別進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

（1）直流感性負(fù)載通斷實(shí)驗(yàn)：設(shè)置UO=30VDC。

①只用繼電器進(jìn)行試驗(yàn),，調(diào)整RL,，負(fù)載電流為6A時(shí)，此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓,、電流波形見(jiàn)圖6,，觸點(diǎn)發(fā)生明亮的電弧，觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)的電壓尖峰超過(guò)1kV,。

②將CS組件按圖3（b）控制方式與繼電器互補(bǔ)使用,，調(diào)整RL，負(fù)載電流約為16A,，為電子開(kāi)關(guān)電流IDM的兩倍,，并使勵(lì)磁電壓的頻率提高一倍,，此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓、電流波形見(jiàn)圖7,，觸點(diǎn)沒(méi)有發(fā)出火星（打開(kāi)繼電器外殼觀察）,，從圖可明顯看到電子開(kāi)關(guān)在通斷過(guò)渡過(guò)程中的作用（波形中存在一個(gè)臺(tái)階）。

（2）接通浪涌沖擊負(fù)載實(shí)驗(yàn),，設(shè)置UO=220VAC,。

①只用繼電器進(jìn)行試驗(yàn)，由于負(fù)載為鐵磁可飽和變壓器,，繼電器觸點(diǎn)電壓,、電流波形見(jiàn)圖8，觸點(diǎn)發(fā)生火花,，浪涌電流達(dá)52A,。

②將CS組件以圖1交流開(kāi)關(guān)方式接線，按圖

圖5實(shí)驗(yàn)電路圖

圖6電磁繼電器的直流感性負(fù)載通斷試驗(yàn)波形圖

圖7混合型開(kāi)關(guān)的直流感性負(fù)載通斷試驗(yàn)波形圖

圖8電磁繼電器的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗(yàn)波形圖

圖9混合型開(kāi)關(guān)的接通浪涌沖擊負(fù)載試驗(yàn)波形圖

3接入實(shí)驗(yàn)電路,，以本文所述控制方式與繼電器互補(bǔ)使用,，在電子開(kāi)關(guān)上串聯(lián)一個(gè)小阻值電阻（R=3Ω），此時(shí)繼電器觸點(diǎn)電壓,、電流波形見(jiàn)圖9,，觸點(diǎn)不產(chǎn)生火花，圖中可明顯看出由于電子限流作用,，變壓器不致進(jìn)入深飽和,，接通電流減小一半，大大降低了接通涌流,。

此外,，對(duì)CS組件的輸入電流測(cè)量得到：工作時(shí)為13mA，待機(jī)時(shí)為5mA.

4結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用高頻互補(bǔ)技術(shù),，提高了電磁開(kāi)關(guān)的性能,，拓寬了電磁開(kāi)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)所，縮小了與固態(tài)開(kāi)關(guān)的性能差異,。由于該混合型開(kāi)關(guān)的價(jià)格遠(yuǎn)低于固態(tài)開(kāi)關(guān),，將此技術(shù)用于繼電器開(kāi)關(guān)連接抽頭分級(jí)變比調(diào)壓式交流穩(wěn)壓器，就可實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比,。因此本項(xiàng)新技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景,。