【正文】 9/70 功率因數(shù)校正電路的基本原理 圖 1030 典型的單相有源 PFC電路及主要原理波形 ? 在升壓斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感 L的電流就完全受開關(guān) S的通斷控制； S通時， iL增長， S斷時， iL下降，因此 控制 S的占空比按正弦絕對值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相 ，就可以控制 iL波形為正弦絕對值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為 1。 38/70 功率因數(shù)校正電路的基本原理 圖 1030 典型的單相有源 PFC電路及主要原理波形 ■ 單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 ◆ 實際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。 ◆ 無源功率因數(shù)校正技術(shù)通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管元件，對電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 引言 ■ 以開關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來一些負(fù)面的問題：輸入電流不是正弦波，就涉及到 諧波 和 功率因數(shù)的問題。 ■ 開關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、電解等電化學(xué)過程等，功率可達(dá)幾十～幾百 kW；在 X光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、小電流輸出的開關(guān)電源。 ? 平均電流模式控制 √平均電流模式控制采用 PI調(diào)節(jié)器 作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號 uS相比較，得到周期固定、占空比變化的 PWM信號，用以控制開關(guān)的通與斷。 √基本的原理：開關(guān)的開通由 時鐘 CLK信號 控制， CLK信號每隔一定的時間就使 RS觸發(fā)器 置位，使開關(guān)開通；開關(guān)開通后 iL上升，當(dāng) iL達(dá)到電流給定值 iR后，比較器輸出信號翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位 RS觸發(fā)器，使開關(guān)關(guān)斷。 ■ 電流模式控制 ◆ 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了 電流反饋控制環(huán) ，電壓控制器的輸出信號作為電流環(huán)的參考信號，給這一信號設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和過載保護(hù)的目的，還可以實現(xiàn)恒流控制。 ■ 電壓模式控制 ◆ 圖 1026 所示即為電壓模式控制，僅有一個輸出 電壓反饋控制環(huán) 。 ◆ 一次電源采用多個開關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個開關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個開關(guān)電源有時也被成稱為“ 模塊 ”，當(dāng)其中個別模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為“ 冗余 ”。 輸 入輸 出輸 入輸 出圖 1024 a)同步降壓電路 圖 1024 b)同步升壓電路 31/70 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) A C D CA C D C4 8 V 直 流 母 線D C D CD C D C交 流電 網(wǎng)負(fù) 載負(fù) 載一 次 電 源二 次 電 源圖 1025 通信電源系統(tǒng) ■ 分布式電源系統(tǒng) ◆ 在通信交換機(jī)、巨型計算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，總功率太大，難以用一個開關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了 分布式的電源系統(tǒng) 。 ? 計算機(jī)主板上給 CPU和存儲器供電的電源都是典型的 POL。 ++圖 1023 多路輸出的整流電路 30/70 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) ■ 直流輸入的開關(guān)電源 ◆ 也稱為 直流－直流變換器 (DCDC Converter)，分為 隔離型 和 非隔離型 ，隔離型多采用反激、正激、半橋等隔離型電路，而非隔離型采用 Buck、 Boost、BuckBoost等電路。 ◆ 高性能開關(guān)電源中普遍采用了 軟開關(guān)技術(shù) 。 ◆ 整流電路普遍采用二極管構(gòu)成的橋式電路，直流側(cè)采用大電容濾波，較為先進(jìn)的開關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction PFC)電路。 ◆ 開關(guān)電源在效率、體積和重量等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于線性電源，因此已經(jīng)基本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。 ■ 線性電源和開關(guān)電源 ◆ 圖 1020所示為 線性電源 ，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 12V、 177。 27/70 開關(guān)電源 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 開關(guān)電源的控制方式 開關(guān)電源的應(yīng)用 28/70 開關(guān)電源 178。 ? 為減少 GTO的開關(guān)損耗，采用 較低的開關(guān)頻率 。 ? 由于逆變器部分使用 IGBT并采用 PWM控制 ，可獲得良好的控制性能。 ◆ 在市電斷電時由于由蓄電池提供電能，供電時間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保證長時間不間斷供電，可采用 柴油發(fā)電機(jī)（簡稱油機(jī)）作為后備電源 ，如圖 1017所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過渡，容量可以比較小。 圖 1015 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖 ■ UPS的結(jié)構(gòu)原理 ◆ 圖 1015給出了 UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理 ? 基本工作原理是，當(dāng)市電正常時，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不受市電停電的影響；在市電正常時，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時負(fù)載得到的交流電壓比市電電壓質(zhì)量高，即使市電發(fā)生質(zhì)量問題（如電壓波動、頻率波動、波形畸變和瞬時停電等）時，也能獲得正常的恒壓恒頻的正弦波交流輸出，并且具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的性能，因此也稱為 穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源 。 24/70 不間斷電源 ■ 不間斷電源（ Uninterruptible Power Supply — UPS）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。 ? 該方式需要 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈的解耦 ，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。 ◆ 矢量控制 ? 異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是 高階 、 非線性 、 強(qiáng)耦合 的 多變量系統(tǒng) 。 ? 從異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型可以證明，當(dāng)穩(wěn)態(tài)氣隙磁通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩近似與 轉(zhuǎn)差角頻率 ?s成正比，因此，控制 ?s就相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn) 差頻率控制，使定子頻率 ?1= ?r+ ?s ，則 ?1隨實際轉(zhuǎn)速 ?r增加或減小，得 到平滑而穩(wěn)定的調(diào)速，保證了較高的調(diào)速范圍和動態(tài)性能。 圖 1014 采用恒壓頻比控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 ? 圖 1014給出了一個實例，轉(zhuǎn)速給定既作為調(diào)節(jié)加減速度的頻率 f指令值，同時經(jīng)過適當(dāng)分壓，也被作為定子電壓 V1的指令值，該 f指令值和 V1指令值之比就決定了 V/f比值 ，由于頻率和電壓由同一給定值控制，因此可以保證壓頻比為恒定；電機(jī)的轉(zhuǎn)向由變頻器輸出電壓的相序決定，不需要由頻率和電壓給定信號反映極性。 ? 電流型間接交流變流電路也可采用雙PWM電路，為了吸收換流時的過電壓，在交流電源側(cè)和交流負(fù)載側(cè)都設(shè)置了電容器；可四象限運(yùn)行，同時通過對整流電路的 PWM控制可使輸入電流為正弦波，并使輸入功率因數(shù)為 1。 21/70 交直交變頻器 圖 1011 采用可控整流的電流型間接交流變流電路 圖 1012 電流型交 — 直 — 交 PWM變頻電路 圖 1013 整流和逆變均為 PWM控制的電流型間接交流變流電路 ? 圖 1011給出了可以再生反饋電力的電流型間接交流變流電路，當(dāng)電動機(jī)制動時，中間直流電路的電流極性不能改變，要實現(xiàn)再生制動，只需調(diào)節(jié)可控整流電路的觸發(fā)角，使中間直流電壓反極性即可。 ? 圖 109所示的電路增加了一套 變流電路 ，使其工作于有源逆變狀態(tài)，可實現(xiàn)電動機(jī)的再生制動；當(dāng)負(fù)載回饋能量時，中間直流電壓極性不變，而電流反向，通過控制變流器將電能反饋回電網(wǎng)。 ? 逆變電路的能量是可以雙向流動的，若負(fù)載能量反饋到中間直流電路，而又不能反饋回交流電源，這將導(dǎo)致電容電壓升高，稱為 泵升電壓 ，泵升電壓過高會危及整個電路的安全。 ◆ 圖 107所示的電壓型交直交變頻電路不能再生反饋電力。 19/70 交直交變頻器 ■ 交直交變頻器（ Variable Voltage Variable Frequency，簡稱 VVVF電源 ）是由 AC/DC、 DC/AC兩類基本的變流電路組合形成，又稱為間接交流變流電路，最主要的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率不再受輸入電源頻率的制約。 ◆ 高精度，快速響應(yīng)。 ◆ 交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 ◆ 最高速度和容量受限制。 引言 ■ 直流調(diào)速傳動系統(tǒng)的缺點(diǎn) ◆ 受使用環(huán)境條件制約。 ? 工程上使用較廣泛的 邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng) 不設(shè)置環(huán)流電抗器，控制原則是：兩組橋在任何時刻只有一組投入工作（另一組關(guān)斷），所以在兩組橋之間就不存在環(huán)流；變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，故稱為邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)。 16/70 直流可逆電力拖動系統(tǒng) ◆ 根據(jù)對環(huán)流的不同處理方法，反并聯(lián)可逆電路又可分為幾種不同的控制方案，如配合控制有環(huán)流（即 ?=?工作制）、可控環(huán)流、邏輯控制無環(huán)流和錯位控制無環(huán)流等。 √改變 2組橋的逆變角 ?，使之由小變大直至 ?=?/2（ n=0），如繼續(xù)增大 ?，即 ??/2， 2組橋?qū)⑥D(zhuǎn)入整流狀態(tài)下工作，電動機(jī)開始反轉(zhuǎn)進(jìn)入第 3象限的電動運(yùn)行。 15/70 直流可逆電力拖動系統(tǒng) MEMMEMMEMMEM++++++++電 能電 能電 能 電 能電 網(wǎng)電 網(wǎng)電 網(wǎng)電 網(wǎng)nIdIdIdId正 組 反 組正 組反 組正 組 反 組正 組 反 組+ TTUd?Ud?Ud?Ud?正 轉(zhuǎn) 整 流反 轉(zhuǎn) 整 流正 轉(zhuǎn) 逆 變反 轉(zhuǎn) 逆 變電 動 運(yùn) 行電 動 運(yùn) 行發(fā) 電 運(yùn) 行發(fā) 電 運(yùn) 行c )圖 106 (c) ◆ 直流可逆拖動系統(tǒng)，能方便地實現(xiàn) 正反向運(yùn)轉(zhuǎn) 外，還能實現(xiàn) 回饋制動 。 ? 第 4象限，反轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，正組橋工作在逆變狀態(tài)， ?1?/2(?1?/2) ， EMUd? 。 直流可逆電力拖動系統(tǒng) MM正 組 反 組正 組LLc 1Lc 2LEMEMabcabcabca ) b )MEMMEMMEMMEM++++++++電 能電 能電 能 電 能電 網(wǎng)電 網(wǎng)電 網(wǎng)電 網(wǎng)+nnIdIdIdId正 組 反 組正 組反 組正 組 反 組正 組 反 組+ TTUd?Ud?Ud?Ud?正 轉(zhuǎn) 整 流反 轉(zhuǎn) 整 流正 轉(zhuǎn) 逆 變反 轉(zhuǎn) 逆 變電 動 運(yùn) 行電 動 運(yùn) 行發(fā) 電 運(yùn) 行發(fā) 電 運(yùn) 行c )反 組圖 106 兩組變流器的反并聯(lián)可逆線路 14/70 ? 第 2象限，正轉(zhuǎn)，電動機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，反組橋工作在逆變狀態(tài)， ?2?/2(?2?/2)，EMUd?（下標(biāo)中有 ?表示逆變）。 ? 根據(jù)電動機(jī)所需的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來決定哪一組變流器工作及其相應(yīng)的工作狀態(tài)：整流或逆變。 ◆ 運(yùn)行工作點(diǎn)由第 1（第 3）象限的特性，轉(zhuǎn)到第 2（第 4）象限的特性時，表明電動機(jī)由 電動運(yùn)行 轉(zhuǎn)入 發(fā)電制動運(yùn)行 ；相應(yīng)的變流器的 工況 由 整流轉(zhuǎn)為逆變 。 ◆ 逆變狀態(tài)的機(jī)械特性是整流狀態(tài)的延續(xù)，縱觀控制角 ?由小