典型電力電子裝置介紹

典型電力電子裝置介紹第1頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1開(kāi)關(guān)電源8.1.1開(kāi)關(guān)電源的基本工作原理

1．線性穩(wěn)壓電源的工作原理及其特點(diǎn)穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。電子技術(shù)課程中所介紹的直流穩(wěn)壓電源一般是線性穩(wěn)壓電源,它的特點(diǎn)是起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)，其原理框圖如圖8-1所示,由50Hz工頻變壓器、整流器、濾波器和串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓器組成。第2頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-1線性穩(wěn)壓電源第3頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

它的基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過(guò)變壓器降壓、整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖8-1中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用的控制部分。電源接上負(fù)載后，通過(guò)采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到與基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過(guò)調(diào)節(jié)器使輸出減小。第4頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這種穩(wěn)壓電源具有優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)：

(1)輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大。

(2)電壓調(diào)整器件（如圖8-1所示的三極管）工作在線性放大區(qū)內(nèi)，損耗大，效率低。

(3)過(guò)載能力差。第5頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2．開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的基本工作原理開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源（SwitchingPowerSupply），這種電源中，起電壓調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開(kāi)關(guān)方式工作。圖8-2所示為輸入輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源原理框圖。圖8-2開(kāi)關(guān)電源的基本框圖第6頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

其主電路的工作原理為：50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓首先經(jīng)EMI防電磁干擾的電源濾波器濾波（這種濾波器主要濾除電源的高次諧波），直接整流濾波（不經(jīng)過(guò)工頻變壓器降壓，濾波電路主要濾除整流后的低頻脈動(dòng)諧波），獲得一直流電壓；然后再將此直流電壓經(jīng)變換電路變換為數(shù)十或數(shù)百千赫的高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，通過(guò)高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后輸出直流電壓?？刂齐娐返墓ぷ髟硎牵弘娫唇由县?fù)載后，通過(guò)取樣電路獲得其輸出電壓，將此電壓與基準(zhǔn)電壓做比較后，將其誤差值放大，用于控制驅(qū)動(dòng)電路，控制變換器中功率開(kāi)關(guān)管的占空比，使輸出電壓升高（或降低），以獲得一穩(wěn)定的輸出電壓。第7頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3．開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理開(kāi)關(guān)電源中，變換電路起著主要的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓作用，這是通過(guò)調(diào)節(jié)功率開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)周期為T，在一個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)間為ton，則占空比定義為D＝ton／t。在開(kāi)關(guān)電源中，改變占空比的控制方式有兩種，即脈沖寬度調(diào)制（PWM）和脈沖頻率調(diào)制（PWF）。在脈沖寬度控制中，保持開(kāi)關(guān)頻率（開(kāi)關(guān)周期T）不變，通過(guò)改變ton來(lái)改變占空比D，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的，即D越大，濾波后輸出電壓也就越大；D越小，濾波后輸出電壓越小,如圖8-3所示。第8頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-3PWM控制方式第9頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

頻率控制方式中，保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變，通過(guò)改變頻率（即開(kāi)關(guān)周期T）而達(dá)到改變占空比的一種控制方式。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，造成后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)比較困難，因此，目前絕大部分的開(kāi)關(guān)電源均采用PWM控制。第10頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4．開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

(1）功耗小、效率高。開(kāi)關(guān)管中的開(kāi)關(guān)器件交替工作在導(dǎo)通—截止—導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，這使得功率損耗小，電源的效率可以大幅度提高，可達(dá)90％～95％。

(2）體積小、重量輕。開(kāi)關(guān)電源效率高，損耗小，可以省去較大體積的散熱器；用起隔離作用的高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低重量；因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高，輸出濾波電容的容量和體積也可大為減小。第11頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3）穩(wěn)壓范圍寬。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓由占空比來(lái)調(diào)節(jié)，輸入電壓的變化可以通過(guò)占空比的大小來(lái)補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓。

(4）電路形式靈活多樣。設(shè)計(jì)者可以發(fā)揮各種類型電路的特長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)主要是存在開(kāi)關(guān)噪聲干擾。第12頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它產(chǎn)生的交流電壓和電流會(huì)通過(guò)電路中的其它元器件產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾，對(duì)這些干擾如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制、消除和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重影響整機(jī)正常工作。此外，這些干擾還會(huì)串入工頻電網(wǎng)，使電網(wǎng)附近的其它電子儀器、設(shè)備和家用電器受到干擾。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)，必須采取合理的措施來(lái)抑制其本身產(chǎn)生的干擾。第13頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.2隔離式高頻變換電路在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的主電路中，調(diào)頻變換電路是核心部分，其電路形式多種多樣，下面介紹輸入輸出隔離的開(kāi)關(guān)電源常用的幾種高頻變換電路的結(jié)構(gòu)和工作原理。

1．正激式變換電路（Forward）所謂正激式變換電路，是指開(kāi)關(guān)電源中的變換器不僅起著調(diào)節(jié)輸出電壓使其穩(wěn)定的作用，還作為振蕩器產(chǎn)生恒定周期T的方波，后續(xù)電路中的脈沖變壓器也具有振蕩器的作用。第14頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

該電路的結(jié)構(gòu)如圖8-4（a）所示。工頻交流電源通過(guò)電源濾波器、整流濾波器后轉(zhuǎn)換成該圖中所示的直流電壓Ui；V1為功率開(kāi)關(guān)管，多為絕緣柵雙極型晶體管IGBT（其基極的驅(qū)動(dòng)電路圖中未畫出）；TR為高頻變壓器；L和C1組成LC濾波器；二極管VD1為半波整流元件，VD2為續(xù)流二極管；RL為負(fù)載電阻；Uo為輸出穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng)控制電路使V1導(dǎo)通時(shí)，變壓器原、副邊均有電壓輸出且電壓方向與圖示參考方向一致，所以二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，此時(shí)電源經(jīng)變壓器耦合向負(fù)載傳輸能量，負(fù)載上獲得電壓，濾波電感L儲(chǔ)能。第15頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)控制電路使V1截止時(shí)，變壓器原、副邊輸出電壓為零。此時(shí)，變壓器原邊在V1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量經(jīng)過(guò)線圈N3和二極管VD3反送回電源。變壓器的副邊由于輸出電壓為零，所以二極管VD1截止，電感L通過(guò)二極管VD2續(xù)流并向負(fù)載釋放能量，由于電容C1的濾波作用，此時(shí)負(fù)載上所獲得的電壓保持不變，其輸出電壓為式中k為變壓器的變壓比，D為方波的占空比,N1,N2為變壓器原、副邊繞組的匝數(shù)。由上式可看出，輸出電壓Uo僅由電源電壓Ui和占空比D決定。第16頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-4正激變換電路(a)原理圖；(b)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形；(c)VF波形第17頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2．半橋變換電路半橋變換電路又可稱為半橋逆變電路，如圖8-5（a）所示。工頻交流電源通過(guò)電源濾波器、整流濾波器后轉(zhuǎn)換成圖中所示的直流電壓Ui；V1、V2為功率開(kāi)關(guān)管IGBT；TR為高頻變壓器，L、C3組成LC濾波電路，二極管VD3、VD4組成全波整流元件。第18頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-5半橋變換電路及波形(a)電路；(b)波形第19頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

半橋變換電路的工作原理：兩個(gè)輸入電容C1、C2的容量相同，其中A點(diǎn)的電壓UA是輸入電壓Ui的一半，即有UC1＝UC2

＝Ui／2。開(kāi)關(guān)管V1和V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別為ug1和ug2，由控制電路產(chǎn)生兩個(gè)互為反相的PWM信號(hào)，如圖8-5（b）所示。當(dāng)ug1為高電平時(shí)，ug2為低電平，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷。電容C1兩端的電壓通過(guò)VD1施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)uV1＝Ui／2，在V1和V2共同關(guān)斷期間，原邊繞組上的電壓為零，即uV1＝0。當(dāng)ug2為高電平期間，V2導(dǎo)通，V1關(guān)斷，電容C2兩端的電壓施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)uV1

＝-Ui／2。其波形如圖8-5（b）所示。可以看出，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，變壓器上的電壓分別為正、負(fù)、零值，這一點(diǎn)與正激變換電路不同。為了防止開(kāi)關(guān)管V1、V2同時(shí)導(dǎo)通造成電源短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1、ug2之間必須具有一定的死區(qū)時(shí)間，即二者同時(shí)為零的時(shí)間。第20頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)uV1＝Ui／2時(shí)，變壓器副邊所接二極管VD3導(dǎo)通，VD4截止，整流輸出電壓的方向與圖示Uo方向相同；當(dāng)uV1＝-Ui／2時(shí)，二極管VD4導(dǎo)通，VD3截止，整流輸出電壓的方向也與圖示Uo方向相同；在二極管VD3

、VD4導(dǎo)通期間，電感L開(kāi)始儲(chǔ)能。在開(kāi)關(guān)管V1、V2同時(shí)截止期間，雖然變壓器副邊電壓為零，但此時(shí)電感L釋放能量，又由于電容C3的作用使輸出電壓恒定不變。第21頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

半橋變換電路的特點(diǎn)為，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，前半個(gè)周期流過(guò)高頻變壓器的電流與后半個(gè)周期流過(guò)的電流大小相等，方向相反，因此，變壓器的磁芯工作在磁滯回線B—H的兩端，磁芯得到充分利用。在一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)的另一個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓與輸入電壓相等，開(kāi)關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的瞬間，漏感引起的尖峰電壓被二極管VD1或VD2箝位，因此開(kāi)關(guān)管所承受的電壓絕對(duì)不會(huì)超過(guò)輸入電壓，二極管VD1、VD2還作為續(xù)流二極管具有續(xù)流作用，施加在高頻變壓器上的電壓只是輸入電壓的一半。欲得到與下面將介紹的全橋變換電路相同的輸出功率，開(kāi)關(guān)管必須流過(guò)兩倍的電流，因此半橋式電路是通過(guò)降壓擴(kuò)流來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率輸出的。另外，驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1和ug2需要彼此隔離的PWM信號(hào)。半橋變換電路適用于數(shù)百瓦至數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源。第22頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3．全橋變換電路將半橋電路中的兩個(gè)電解電容C1和C2換成另外兩只開(kāi)關(guān)管，并配上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路即可組成圖8-6所示的全橋電路。圖8-6全橋變換電路第23頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

驅(qū)動(dòng)信號(hào)ug1與ug4相同，ug2與ug3相同，而且ug1、ug4與ug2、ug3互為反相。其工作原理如下：當(dāng)ug1與ug4為高電平，ug2與ug3為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管V1和V4導(dǎo)通，V2和V3關(guān)斷，電源電壓通過(guò)V1和V4施加在高頻變壓器的原邊，此時(shí)變壓器原邊電壓為uV1＝Ui。當(dāng)ug1和ug4為低電平，ug2與ug3為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管V2和V3導(dǎo)通，V1、V4關(guān)斷，變壓器原邊電壓為uV1＝-Ui。與半橋電路相比，初級(jí)繞組上的電壓增加了一倍，而每個(gè)開(kāi)關(guān)管的耐壓仍為輸入電壓。第24頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-6中變壓器副邊所接二極管VD5、VD6為整流二極管，實(shí)現(xiàn)全波整流。電感L、電容C組成LC濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)整流輸出電壓的濾波。開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3和V4的集電極與發(fā)射極之間反接有箝位二極管VD1、VD2、VD3和VD4，由于這些箝位二極管的作用，當(dāng)開(kāi)關(guān)管從導(dǎo)通到截止時(shí)，變壓器初級(jí)磁化電流的能量以及漏感儲(chǔ)能引起的尖峰電壓的最高值不會(huì)超過(guò)電源電壓Ui，同時(shí)還可將磁化電流的能量反饋給電源，從而提高整機(jī)的效率。全橋變換電路適用于數(shù)百瓦至數(shù)千瓦的開(kāi)關(guān)電源。除了上述變換電路外，常用的隔離型高頻電路還有反激型變換電路、推挽型變換電路和雙正激型變換電路。第25頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.1.3開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用圖8-7直流操作電源電路(a)主電路；第26頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-7直流操作電源電路(b)控制電路第27頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1．交流進(jìn)線EMI濾波器電磁干擾EMI為英文ElectroMagneticInterference的縮寫。為了防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲進(jìn)入電網(wǎng)或者防止電網(wǎng)的噪聲進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部，干擾開(kāi)關(guān)電源的正常工作，必須在開(kāi)關(guān)電源的輸入端施加EMI濾波器，有時(shí)又稱此濾波器為電源濾波器，用于濾除電源輸入輸出中的高頻噪聲（150kHz～30MHz）。圖8-8給出了一種常用的高性能EMI濾波器，該濾波器能同時(shí)抑制共模和差模干擾信號(hào)。第28頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-8交流進(jìn)線EMI濾波器第29頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

該圖中A、N間為電源的相電壓，G為電源的接地線。Cc1、Cc2和Lc構(gòu)成的低通濾波器用來(lái)抑制共模干擾信號(hào)。所謂共模干擾信號(hào)，通常是指與電源電壓并聯(lián)且極性相同的干擾信號(hào)。由于電源干擾信號(hào)的頻率遠(yuǎn)大于工頻50Hz，因此它們通過(guò)電容Cc1、Cc2接入地消除干擾。其中Lc為磁芯電感，它與普通電感相比具有體積小、電感值大的特點(diǎn)，在此電路中稱為共模電感，其兩組線圈的匝數(shù)相等，繞向相反。共模干擾信號(hào)的極性相同，在Lc產(chǎn)生很大的阻抗，從而抑制了共模信號(hào)進(jìn)入后續(xù)整流電路。對(duì)于極性相反，串接在電源內(nèi)的差模干擾信號(hào)，Lc產(chǎn)生的阻抗為零，則由Cd1、Ld

組成的低通濾波器來(lái)抑制干擾信號(hào)。第30頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2．啟動(dòng)浪涌抑制電路開(kāi)啟電源時(shí)，由于將對(duì)濾波電容C1和C2充電，接通電源瞬間電容相當(dāng)于短路，因而會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，其大小取決于啟動(dòng)時(shí)的交流電壓的相位和輸入濾波器的阻抗。抑制啟動(dòng)浪涌電流最簡(jiǎn)單的辦法是在整流橋的直流側(cè)和濾波電容之間串聯(lián)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。啟動(dòng)時(shí)電阻處于冷態(tài)，呈現(xiàn)較大的電阻，從而可抑制啟動(dòng)電流。啟動(dòng)后，電阻溫度升高，阻值降低，以保證電源具有較高的效率。雖然啟動(dòng)后電阻已較小，但電阻在電源工作的過(guò)程中仍具有一定的損耗，降低了電源的效率，因此，該方法只適合小功率電源。對(duì)于大功率電路，將上述熱敏電阻換成普通電阻，同時(shí)在電阻的兩端并接晶閘管，電源啟動(dòng)時(shí)晶閘管關(guān)斷，由電阻限制啟動(dòng)浪涌電流。濾波電容的充電過(guò)程完成后，觸發(fā)晶閘管，使之導(dǎo)通，從而既達(dá)到了短接電阻降低損耗的目的，又可限制啟動(dòng)浪涌電流。第31頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3．輸出控制電路控制電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，它決定開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。該開(kāi)關(guān)電源采用雙閉環(huán)控制方式，如圖8-9所示。電壓環(huán)為外環(huán)控制，起著穩(wěn)定輸出電壓的作用。電流環(huán)為內(nèi)環(huán)控制，起穩(wěn)定輸出電流的作用。交流電源經(jīng)過(guò)電源濾波、整流再次濾波后得到電壓的給定信號(hào)UOG，輸出電壓經(jīng)過(guò)取樣電路獲得一反饋電壓UOF。UOF通過(guò)反饋電路送到給定端與給定信號(hào)UOG比較，其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后形成輸出電感電流的給定信號(hào)IOG。將IOG與電感電流的反饋信號(hào)IOF比較，其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器(比例積分調(diào)節(jié)器)調(diào)節(jié)后送入PWM控制器SG3525，然后與控制器內(nèi)部三角波比較形成PWM信號(hào),該信號(hào)再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)變換電路中的IGBT。第32頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-9直流開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)原理框圖第33頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

如果輸出電壓因種種原因在給定電壓沒(méi)有改變的情況下有所降低，即反饋電壓UOF小于給定電壓UOG，則電壓調(diào)節(jié)器將誤差放大后使輸出電壓升高，即電感電流的給定IOG增大。電感電流給定增大又導(dǎo)致電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓增大，使得PWM信號(hào)的占空比增大，最后達(dá)到增大輸出電壓的目的。當(dāng)輸出電壓達(dá)到給定電壓所要求的值時(shí)，調(diào)節(jié)器停止調(diào)節(jié)，輸出電壓穩(wěn)定在所要求的值。第34頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

4．SG3525的管腳功能

SG3525系列開(kāi)關(guān)電源PWM控制集成電路是美國(guó)硅通用公司設(shè)計(jì)的第二代PWM控制器，工作性能好，外部元件用量小，適用于各種開(kāi)關(guān)電源。圖8-10給出了SG3525的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其管腳功能如下：①腳：誤差放大器的反相輸入端；②腳：誤差放大器的同相輸入端；③腳：同步信號(hào)輸入端，同步脈沖的頻率應(yīng)比振蕩器頻率fS要低一些；第35頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月④腳：振蕩器輸出；⑤腳：振蕩器外接定時(shí)電阻RT端，RT值為2～150kΩ；⑥腳：振蕩器外接電容CT端，振蕩器頻率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）,R0為⑤腳與⑦腳之間跨接的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，定時(shí)電容范圍為0.001～0.1μF；⑦腳：振蕩器放電端，用外接電阻來(lái)控制死區(qū)時(shí)間，電阻范圍為0～500Ω；⑧腳：軟啟動(dòng)端，外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Uref的50μA恒流源充電；第36頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月⑨腳：誤差放大器的輸出端；10腳：PWM信號(hào)封鎖端，當(dāng)該腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)；11腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；12腳：接地；13腳：輸出集電極電壓；14腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；15腳：電源，其范圍為8～35V；16腳：內(nèi)部＋5V基準(zhǔn)電壓輸出。第37頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-10SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖第38頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

5．IGBT驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路采用日本三菱公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L。該驅(qū)動(dòng)模塊為混合集成電路，將IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)集于一體，能驅(qū)動(dòng)電壓為600V和1200V系列電流容量不大于400A的IGBT。驅(qū)動(dòng)電路的接線圖如圖8-11所示。第39頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-11IGBT驅(qū)動(dòng)電路第40頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.2UPS不間斷電源8.2.1UPS的分類

1．離線式UPS電源

該電源的基本結(jié)構(gòu)如圖8-12所示，它由充電器、蓄電池組、逆變器、交流穩(wěn)壓器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等部分組成。市電存在時(shí)，逆變器不工作，市電經(jīng)交流穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)向負(fù)載供電，同時(shí)充電器工作，對(duì)蓄電池組充電；市電掉電時(shí)，逆變器工作，將蓄電池提供的直流電壓變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電壓，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)同時(shí)斷開(kāi)市電通路，接通逆變器，繼續(xù)向負(fù)載供電。對(duì)離線式UPS電源，當(dāng)市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間。目前市場(chǎng)上銷售的這種電源均為小功率，一般在2kVA以下。第41頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-12后備式UPS的結(jié)構(gòu)框圖第42頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這種電源的特點(diǎn)為：

(1)當(dāng)市電正常時(shí)，只是通過(guò)交流穩(wěn)壓后直接輸出至負(fù)載，因此電路對(duì)市電噪音以及浪涌的抑制能力較差。

(2)存在轉(zhuǎn)換時(shí)間。

(3)保護(hù)性能較差。

(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，控制容易，成本低。第43頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2．在線式UPS電源在線式UPS的基本結(jié)構(gòu)如圖8-13所示，它由整流器、逆變器、蓄電池組以及靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等部分組成。正常工作時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流后，再經(jīng)逆變器變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的正弦波交流電壓供給負(fù)載。當(dāng)市電掉電時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，以保證負(fù)載不間斷供電。如果逆變器發(fā)生故障，UPS則通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到旁路，直接由市電供電。故障消失后，UPS又重新切換到由逆變器向負(fù)載供電。由于在線式UPS總是處于穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電狀態(tài)，輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，波形畸變小，因此，其供電質(zhì)量明顯優(yōu)于離線式UPS。目前大多數(shù)UPS，特別是大功率UPS均為在線式。第44頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-13在線式UPS的結(jié)構(gòu)框圖第45頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在線式UPS的特點(diǎn)是：(1)輸出的電壓經(jīng)過(guò)UPS處理，輸出電源品質(zhì)較高。(2)無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)間。(3)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。(4)保護(hù)性能好，對(duì)市電噪音以及浪涌的抑制能力強(qiáng)。第46頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3．在線交互式UPS電源在線交互式UPS的結(jié)構(gòu)框圖如圖8-14所示。它由交流穩(wěn)壓器、交流開(kāi)關(guān)、逆變器、充電器、蓄電池組和雙向轉(zhuǎn)換器組成。市電正常時(shí)經(jīng)交流穩(wěn)壓器后直接輸出給負(fù)載。此時(shí)，通過(guò)雙向轉(zhuǎn)換器，逆變器工作在整流狀態(tài)，作為充電器向蓄電池組充電。當(dāng)市電掉電時(shí)，逆變器則將電池能量轉(zhuǎn)換為交流電輸出給負(fù)載。第47頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-14在線交互式UPS的結(jié)構(gòu)框圖第48頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

在線交互式UPS的特點(diǎn)如下：

(1)具有雙向轉(zhuǎn)換器，UPS電池充電間較短。

(2)存在轉(zhuǎn)換時(shí)間。

(3)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

(4)保護(hù)性能介于在線式與離線式UPS之間，對(duì)市電噪聲和浪涌的抑制能力較差。第49頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2UPS的整流器對(duì)于小功率UPS，整流器一般采用二極管整流電路，它的作用是向逆變器提供直流電源，蓄電池充電由專門的充電器來(lái)完成。而對(duì)于中、大功率UPS，它的整流器具有雙重功能，在向逆變器提供直流電源的同時(shí)還要向蓄電池進(jìn)行充電，因此，整流器的輸出電壓必須是可控的。中、大功率UPS的整流器一般采用相控式整流電路。相控式整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制技術(shù)成熟，但交流輸入功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入大量的諧波電流。目前，對(duì)于大容量UPS大多采用12相或24相整流電路。因?yàn)檎麟娐返南鄶?shù)越多，交流輸入功率因數(shù)越高，入電網(wǎng)的諧波含量也就越低。除了增加整流電路的相數(shù)外，還可以通過(guò)在整流器的輸入側(cè)增加有源或無(wú)源濾波器濾去UPS注入電網(wǎng)的諧波電流。第50頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

目前，比較先進(jìn)的UPS采用PWM整流電路，可使注入電網(wǎng)的電流基本接近正弦波，且功率因數(shù)接近1，即整流電路交流側(cè)的電流、電壓的相位基本同相,這樣大大降低UPS對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。現(xiàn)以單相電路為例，說(shuō)明PWM整流電路的工作原理。第51頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-15所示是單相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)，其中起整流作用的開(kāi)關(guān)器件采用全控器件IGBT。電路的工作原理為：在交流電源us的正半周，控制電路關(guān)斷V2、V3,而在V1、V4的控制極輸入SPWM控制脈沖序列，則在A、B兩點(diǎn)間獲得正半周的SPWM波形，如圖8-16所示。同理,在交流電源us的負(fù)半周，控制電路關(guān)斷V1、V4,而在V2、V3的控制極輸入SPWM控制脈沖序列，則在A、B兩點(diǎn)間獲得負(fù)半周的SPWM波形，通過(guò)電容C濾波，在負(fù)載上可獲得穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)節(jié)加在V1、V2、V3、V4控制極上的脈沖序列的寬度，即可調(diào)節(jié)整流電路輸出直流電壓的大小，實(shí)現(xiàn)可控整流。第52頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-15單相全橋PWM整流電路第53頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-16單相全橋PWM整流電路波形第54頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

可見(jiàn)，在PWM整流電路的交流端A、B之間產(chǎn)生了一個(gè)正弦波調(diào)制的電壓uAB，uAB中除了含有與電源同頻率的基波分量外，還含有與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波。圖8-15中在整流電路的交流側(cè)串有電感Ls，它的作用就是將交流側(cè)電流中的高次諧波濾除，使交流側(cè)電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如果忽略這些脈動(dòng)成分，is為頻率與電源電壓us頻率相同的正弦波。在交流電源電壓us一定時(shí)，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其與us的相位差決定，改變uAB中基波分量的值和相位即改變加在V1、V2、V3、V4控制極上SPWM脈沖序列的幅值和相位，就可使電源電流is與電壓us相位相同，從而使整流電路交流側(cè)的輸入功率因數(shù)為1，徹底解決UPS電力電子裝置造成的電網(wǎng)諧波污染的問(wèn)題。第55頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-17給出了如何實(shí)現(xiàn)電源電流is與電壓us同相位的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電壓環(huán)為外環(huán)，其作用是調(diào)節(jié)和穩(wěn)定整流輸出電壓。電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是使整流電路交流側(cè)的電流is與電壓us相位相同。第56頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-17電流電壓同相位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第57頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

該圖中電壓給定控制信號(hào)為直流電壓U*d，調(diào)節(jié)U*d可以調(diào)節(jié)PWM調(diào)制波的幅值，即可調(diào)節(jié)PWM控制脈寬，使整流輸出電壓增大或減小。Ud為整流輸出的實(shí)際電壓的反饋信號(hào)，如果整流輸出電壓與給定控制信號(hào)所希望的電壓值相同，即Ud=U*d

，則圖中比例積分調(diào)節(jié)器PI不起調(diào)節(jié)作用，整流輸出電壓Ud保持不變。在U*d不變的情況下，因?yàn)槠渌蚴箤?shí)際輸出電壓Ud與希望電壓值不相等時(shí)，U*d與反饋的實(shí)際電壓信號(hào)Ud相比較后，可使控制電路輸出的PWM脈沖寬度根據(jù)誤差值（Ud大于或小于U*d

）增大或減小，從而使輸出電壓增大或減小，使輸出電壓穩(wěn)定在希望值。第58頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖中直流輸出電壓給定信號(hào)和實(shí)際的直流電壓反饋信號(hào)比較后送入比例積分PI調(diào)節(jié)器，PI電壓調(diào)節(jié)器的輸出即為整流器交流輸入電流的幅值Im，這是一直流信號(hào)，它的大小反應(yīng)了整流輸出電壓的實(shí)際值與希望值之間的差異。它與標(biāo)準(zhǔn)的正弦波相乘后形成交流輸入電流的給定信號(hào)i*s。標(biāo)準(zhǔn)的正弦波就是與電源電壓us同相位的電壓信號(hào)，當(dāng)它與信號(hào)Im相乘后，只增加或減小其幅值，而不會(huì)改變它的相位，即i*s的相位始終與電源電壓us的相位相同，其幅值則隨著PI調(diào)節(jié)的差值而變化。這個(gè)幅值的變化就是后續(xù)PWM控制電路的電壓幅值變化的控制信號(hào)。因此，可以根據(jù)實(shí)際輸出的電壓來(lái)調(diào)節(jié)PWM的脈寬，使輸出電壓達(dá)到希望值。第59頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖中is為整流電路交流側(cè)實(shí)際電流的反饋信號(hào)，當(dāng)這個(gè)電流與給定電流的相位相同時(shí)，圖中比例調(diào)節(jié)器K不起作用，PWM控制信號(hào)保持不變；當(dāng)反饋電流信號(hào)is與電源電壓us相位有差異時(shí)，即is與i*s有相位差時(shí)，調(diào)節(jié)器K起調(diào)節(jié)作用，它可以調(diào)節(jié)后續(xù)比較器電路，從而調(diào)整PWM脈沖的相位，直到反饋信號(hào)is與給定信號(hào)i*s的相位相同而止，這樣就達(dá)到了整流電路交流側(cè)電流、電壓同相位的目的。第60頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.2.3UPS中的逆變器正弦波輸出的UPS通常采用SPWM逆變器，這是一種抑制諧波分量的最有效的方法，有單相輸出，也有三相輸出。下面以單相橋式脈寬調(diào)制逆變器為例，說(shuō)明它的基本工作原理。如圖8-18所示，對(duì)于小功率的UPS，電路中的開(kāi)關(guān)器件一般采用MOSFET管；而對(duì)于大功率的UPS，則采用IGBT管。第61頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-18UPS單相逆變電路第62頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-18中，V1、V2和V3、V4不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將使輸入直流電源短路，這個(gè)電路只在V1

、V4和V2、V3間交替導(dǎo)通與關(guān)斷，負(fù)載上才有連續(xù)的交流矩形波。如果在輸出電壓的半個(gè)周期內(nèi)V1和V4導(dǎo)通和關(guān)斷許多次，在另外半個(gè)周期內(nèi)V2和V3也導(dǎo)通和關(guān)斷同樣的次數(shù)，并且在每半周內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間按正弦規(guī)律變化，那么輸出波形如圖8-19所示。這種波的基波分量按正弦規(guī)律變化，而諧波成分最小。當(dāng)需要調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓時(shí)，控制每個(gè)矩形波均按某一比例加寬或減窄，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。第63頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-19UPS單相逆變電路輸出波形第64頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

為了濾去開(kāi)關(guān)頻率噪聲，輸出采用LC濾波電路，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率較高，一般大于20kHz，因此采用較小的LC

濾波器便能濾去開(kāi)關(guān)頻率噪聲。輸出隔離變壓器實(shí)現(xiàn)逆變器與負(fù)載之間的隔離，避免了它們之間電路上的直接聯(lián)系，從而減少了干擾。另外，為了節(jié)約成本，絕大多數(shù)UPS利用隔離變壓器的漏感來(lái)充當(dāng)輸出濾波電感，從而可省去圖8-18中的電感L。逆變器是UPS的核心部分，這不僅由它的功能所決定，也可從它的控制電路的復(fù)雜程度看出來(lái)。逆變器的主電路目前已比較完善，但是逆變器的控制電路卻千變?nèi)f化，差別很大。一般而言，UPS電源逆變器的控制電路除了與整流電路一樣，通過(guò)電壓閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)穩(wěn)壓外，還要實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。圖8-20中所示的電壓給定信號(hào)U*d、電壓反饋信號(hào)uF、PI調(diào)節(jié)器即可完成這項(xiàng)功能。第65頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-20UPS逆變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第66頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.2.4UPS中的鎖相技術(shù)在線式UPS中，有時(shí)要求變頻器輸出的電壓與市電電壓保持同頻、同相、同幅度，即變頻器的輸出必須跟蹤市電的變化，這就需要鎖相技術(shù)。鎖相就是利用兩個(gè)信號(hào)的相位差，通過(guò)轉(zhuǎn)換裝置形成控制信號(hào)，以強(qiáng)迫兩個(gè)信號(hào)相位同步的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，稱為鎖相環(huán)或環(huán)路。基本的鎖相環(huán)路由鑒相器、低通濾波器和壓控振蕩器組成,如圖8-21所示。鑒相器也叫相位比較器，它將周期性變化的輸入信號(hào)的相位（從市電或本機(jī)振蕩獲得）與反饋信號(hào)的相位（從壓控振蕩器的輸出獲得）進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于與兩信號(hào)相位差成正比的直流誤差電壓信號(hào)u(t)，該信號(hào)可以調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同步的目的。第67頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-21基本鎖相環(huán)路的方框圖第68頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

低通濾波器用來(lái)濾除鑒相器輸出電壓中的高頻分量和噪聲，只有直流分量才對(duì)壓控振蕩器起控制作用。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性即改善動(dòng)態(tài)跟蹤性，在低通濾波器之后加一個(gè)由比例積分放大器組成的調(diào)節(jié)器可改善捕捉過(guò)程中的調(diào)節(jié)性能。壓控振蕩器是一個(gè)由電壓來(lái)控制振蕩頻率的器件，振蕩器在未加控制電壓時(shí)的振蕩頻率稱為固有振蕩頻率，用ω0表示。當(dāng)振蕩器的瞬時(shí)頻率ωv與輸入信號(hào)的頻率ωi不相同時(shí)，由于電壓的相位值是頻率變化值的積分，因而頻率的變化會(huì)引起電壓相位差的變化，而有相位差的變化就有誤差電壓產(chǎn)生，該誤差電壓經(jīng)低通濾波器去控制壓控振蕩器的輸出頻率，使其朝著輸入頻率的方向變化，使二者同步。第69頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.2.5UPS中的靜態(tài)開(kāi)關(guān)所謂靜態(tài)開(kāi)關(guān)，是一種以雙向晶閘管為基礎(chǔ)構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)通斷組件。圖8-22(a)所示為光電雙向晶閘管耦合器的非零電壓開(kāi)關(guān)，輸入端1、2加輸入信號(hào)時(shí)，光電雙向晶閘管耦合器B導(dǎo)通，門極由R2、B形成通路觸發(fā)雙向晶閘管。這種電路相對(duì)于輸入信號(hào)的交流電源的任意相位均可同步接通，稱為非零電壓開(kāi)關(guān)。第70頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-22(b)所示為光電晶閘管耦合的零電壓開(kāi)關(guān)，1、2端加輸入信號(hào)，V1管截止，即光控晶閘管門極不短接時(shí)，耦合器B中的光控晶閘管導(dǎo)通，電流經(jīng)整流橋和導(dǎo)通的光控晶閘管一起為雙向晶閘管V提供門極電流，使V導(dǎo)通。由R3、R2、V1組成零電壓開(kāi)關(guān)電路，適當(dāng)?shù)剡x擇R3、R2的參數(shù)，使當(dāng)電源電壓過(guò)零并升至一定幅值時(shí)V1導(dǎo)通，光控晶閘管被關(guān)斷，這時(shí)雙向晶閘管截止。為了進(jìn)一步提高UPS電源的可靠性，在線式UPS均裝有靜態(tài)開(kāi)關(guān)，將市電作為UPS的后備電源，在UPS發(fā)生故障或維護(hù)檢修時(shí)，無(wú)間斷地將負(fù)載切換到市電上，由市電直接供電。靜態(tài)開(kāi)關(guān)的主電路比較簡(jiǎn)單，一般由兩只晶閘管或一只雙向晶閘管組成，單相輸出UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)如圖8-23所示。第71頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-22兩種靜態(tài)開(kāi)關(guān)(a)非零電壓開(kāi)關(guān)(a)零電壓開(kāi)關(guān)第72頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-23單相輸出UPS靜態(tài)開(kāi)關(guān)原理圖第73頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換有兩種方式：同步切換和非同步切換。在同步切換方式中，為了保證在切換過(guò)程中供電不間斷，靜態(tài)開(kāi)關(guān)的切換為先通后斷。假設(shè)負(fù)載由逆變器供電，由于某種故障，例如蓄電池電壓太低，需要由逆變器供電轉(zhuǎn)向旁路市電供電，切換時(shí)首先觸發(fā)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2，使之導(dǎo)通，然后再封鎖靜態(tài)開(kāi)關(guān)1的觸發(fā)脈沖。由于晶閘管導(dǎo)通以后，即使除去觸發(fā)脈沖，它仍然保持導(dǎo)通，只有等到下半個(gè)周期到來(lái)時(shí)，使其承受反壓，才能將其關(guān)斷，因此，存在靜態(tài)開(kāi)關(guān)1和2同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，此時(shí)市電和逆變器同時(shí)向負(fù)載供電。為了防止環(huán)流的產(chǎn)生，逆變器輸出電壓必須與市電同頻、同相、同幅度。這就要求在切換的過(guò)程中，逆變器必須跟蹤市電的頻率、相位和幅值，即上面所說(shuō)的鎖相，否則，環(huán)流會(huì)使逆變器燒壞。第74頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

絕大部分在線式UPS除了具有同步方式外，還具有非同步切換方式。當(dāng)需要切換時(shí)，如果UPS的逆變器輸出電壓不能跟蹤市電，則采用非同步切換方式，即先斷后通切換方式，首先封鎖正在導(dǎo)通的靜態(tài)開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖，延遲一段時(shí)間，待導(dǎo)通的靜態(tài)開(kāi)關(guān)關(guān)斷后，再觸發(fā)另外一路靜態(tài)開(kāi)關(guān)。很明顯，非同步切換方式會(huì)造成負(fù)載短時(shí)間斷電。第75頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.3有源功率因數(shù)校正器8.3.1有源電力濾波器和有源功率因數(shù)校正消除電力系統(tǒng)的諧波有無(wú)源技術(shù)和有源技術(shù)兩種辦法。無(wú)源技術(shù)是指在電路中接入LC網(wǎng)絡(luò)，這種技術(shù)只能對(duì)某些特定的諧波進(jìn)行抑制和基波移相補(bǔ)償。這種方法最早用于電力系統(tǒng)，其電路體積和質(zhì)量都很大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們又提出了兩種對(duì)策：一種是在電網(wǎng)的公用負(fù)載端并接一個(gè)專用的功率變換器，對(duì)無(wú)功及諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，這就是有源濾波器（ActiveFilter），如圖8-24所示。它能將電網(wǎng)電流補(bǔ)償成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦電流。另一種是在負(fù)載即電力電子裝置本身的整流器和濾波電容之間增加一個(gè)功率變換電路，這就是有源功率因數(shù)校正（ActivePowerFactorCorrection-APFC）電路。它能將整流器的輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除了諧波和無(wú)功電流，將電網(wǎng)功率因數(shù)提高到近似為1，其原理框圖如圖8-25所示。第76頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-24有源濾波器第77頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-25APFC的基本原理框圖第78頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.3.2畸變電流的產(chǎn)生與APFC的基本原理圖8-26(a)是傳統(tǒng)的整流濾波電路，整流二極管只有在輸入電壓ui大于負(fù)載電壓uo時(shí)才導(dǎo)通。也就是說(shuō)，只有在電容C充電期間才有電網(wǎng)的輸入電流ii,該電流為峰值很高的脈沖電流，如圖8-26(b)所示。由于輸入電流存在波形畸變因而會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降并產(chǎn)生高次諧波分量，污染電網(wǎng)。第79頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-26傳統(tǒng)整流電路及波形圖(a)整流濾波電路；(b)波形圖第80頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑。APFC技術(shù)的基本思想是將輸入交流電進(jìn)行全波整流，在整流電路與濾波電容之間加入DC/DC變換電路，通過(guò)適當(dāng)控制使輸入電流的波形自動(dòng)跟隨輸入電壓的波形，即使整流器的輸出電流跟隨它輸出的直流脈動(dòng)電壓波形且要保持儲(chǔ)能電容電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出和單位功率因數(shù)輸入，其原理如圖8-27所示。從原理框圖來(lái)看，這就是一種開(kāi)關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源不同，DC/DC變換電路之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，而不像開(kāi)關(guān)電源那樣是方波。這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控，控制結(jié)果是使全波整流器的輸入功率因數(shù)近似為1。第81頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖8-27APFC基本電路第82頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月8.3.3有源功率因數(shù)校正的電路結(jié)構(gòu)

APFC的電路結(jié)構(gòu)有雙級(jí)式和單級(jí)式兩種，如圖8-28所示。雙級(jí)式電路是由Boost轉(zhuǎn)換器和DC/DC變換器級(jí)聯(lián)而成的，中間直流母線電壓一般都穩(wěn)定在400V。前級(jí)的Boost電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級(jí)的DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)隔離和降壓。其優(yōu)點(diǎn)是每級(jí)電路可單獨(dú)分析、設(shè)計(jì)和控制，特別適合作為分布式電源系統(tǒng)的前置級(jí)。單級(jí)式APFC電路集功率因數(shù)校正和輸出隔離、電壓穩(wěn)定于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但分析和控制復(fù)雜，適用于單一集中式電源系統(tǒng)。第8