交流电源系统的基准与反馈

摘要：交流电源系统实际上是一个闭环的自动控制系统，基准和反馈是它的两个重要环节。分别介绍了交流电源系统两种常用的基准——正弦波电压和直流电平，及其常用的反馈方式——峰值反馈和平均值反馈，并对交流电源系统的各种基准与反馈电路进行了分析与比较。结合自动控制理论，剖析了因基准与反馈环节设计不当对交流电源系统产生的影响，并给出采用有效值转换电路消除系统静态误差的解决方案。
关键词：交流电源系统；基准；反馈；有效值转换

0 引言
交流电源系统是一个闭环的自动控制系统，在这个系统中有两个重要环节——基准和反馈。按自动控制的要求，若以时间函数r(t)表示给定值，以C(t)表示受控量，r(t)与C(t)应具有同一性。但在实际的系统中同一性往往难以得到充分满足，从而会在自动控制系统中产生附加的静态误差。

1 关于交流电源系统的基准
目前，交流电源系统的基准有两种：正弦波电压和直流电平。
1．1 以正弦波电压为基准的交流电源系统
交流电源系统的输出电压是恒频交流电压，由于交流电源系统的基准应当与其输出电压具有同一性，因此交流电源系统的基准也应是恒频交流电压，并且基准应具有较高的稳定性。然而交流电源系统输出的恒频交流电压是近似于理想的正弦波电压，其输出电压的稳定性是靠PWM控制策略来实现的，系统的动态结构图如图1所示。

在该系统框图中基准正弦波电压为uj，输出电压为u(115 V，400Hz)，它们的关系为：u／uj=R2／R1。该交流电源系统是一个二元反馈系统，除了电压反馈之外，还通过电流互感器M摄取电流反馈信号形成电流反馈。该电流反馈信号为高频信号兼有调制△u的作用。经分析电路要求调制比大于50时，才能保证系统输出电压的稳态误差及失真度都在1％以下。
反馈电压△uf与基准正弦波电压uj相加后，得到△u再经PI电路得到△u’。△u’的波形如图2所示。图3是图2波形的展开。图1中逆变电路输出电压un的波形见图4。电流反馈的波形见图5。

这个方案适用于由电子电路组成的电源系统，比如UPS不间断电源及其他逆变电源。这种电源系统的反馈电路传输时间短，响应快，能够完成及时反馈的要求，这种电路有根据基准去校正输出电压波形的功能，因此输出电压波形的失真度小，适用于非线性负载电路。
1．2 以直流电平为基准的交流电源系统
在发电机组成的交流电源系统中，以正弦波电压为基准不合适。因为这种电源系统输出电压的稳定性是通过调节发电机的励磁电流实现的，而调节发电机励磁电流的控制电路具有较大惯性，不能实现及时反馈。因此这种电源系统必须用直流电平作为基准，如图6所示。图中稳压管V2由稳压电源U提供工作电流作为基准，稳压管V2的温度系数为10-5～10-6V／℃。

2 交流电源系统的反馈
交流电源系统的反馈作用是将电源系统的输出电压，经过反馈网络引回到系统的输入端，与系统的基准进行比较，以保证输出电压的稳定。以正弦波电压为基准的电源系统中，反馈量是电源系统的输出电压，反馈网络是电阻网络。以直流电平为基准的电源系统中，反馈量是电源系统的输出电压经整流后的直流电压。但是电源系统的输出量是交流电压的有效值，而反馈量却是输出电压的峰值或平均值，反馈量和输出量不同，致使交流电源系统存在静态误差。下面就具体电路进行分析。
2．1 峰值反馈
峰值反馈的电路见图6，反馈电压uf由于C2的作用而反应的是输出电压的峰值um。uf的波形见图7。

图7所示的Uj=5 V是基准，uf是反馈电压，真实反应了输出电压的峰值。如果电源系统的输出电压受到扰动而发生变化偏离了额定值(115 V)，这时控制电路工作的占空比随之变化，占空比变化之后，系统中发电机的激磁电流就会改变，从而调节发电机的输出电压将恢复到额定值。反馈电压uf和激磁电流的占空比(即控制电路工作的占空比)δ之间的关系如下。
图7中，电路工作的周期T、导通时间ton，则占空比δ=ton／T。有：


如果输出电压的波峰系数时，便会产生附加误差△U。设系统的实际输出电压为Um，波峰系数为M，则M=Um／U=>U=Um／M。当波峰系数为M时，调节电路将系统的输出电压调节为：

2．2 平均值反馈
平均值反馈电路如图8所示。

图8中由于电阻R1，R2，R3的存在使得三相电压源变成三相电流源，反馈电压uf反应是输出电压的平均值UCP。与峰值反馈一样，如果电压波形失真将会产生附加误差△U。
设系统的实际输出电压为U，平均值为UCP，即MCP=U／UCP≠1．1，而调节电路将系统的输出电压调节为：

2．3 消除静态误差的解决方案
经过分析可知，交流电源系统静态误差的产生是由于电源系统的输出量是交流电压的有效值，而反馈量却是输出电压的峰值或平均值，反馈量和输出量不同导致的。因此，采用由AD637组成的有效值转换电路(见图9)，将敏感的电机端有效值电压转换为直流电平反馈至调节电路的比较端，从而满足系统的同一性，达到消除静态误差的目的。