电力电子技术-电力电子设备.ppt

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1、第6章 电力电子设备6.1 通用变频器16.2 软启动器26.3 晶闸管交流调功器36.4 不间断电源UPS46.5 开关电源516.1.1 通用变通用变频器中的整频器中的整流环节流环节6.1.2 通通用变频用变频器中的器中的中间环中间环节节6.1.3 通用通用变频器中的变频器中的逆变环节逆变环节6.1 通用变频器通用变频器通用变频器通用变频器2日立6.1 通用变频器：知名品牌变频器西门子ABB三菱安川福凌3交流异步电动机的转速n为 式中f定子电压频率（Hz）；p极对数；s转差率。变频调速是通过变频器向电机的定子输出一个电压，其频率可以连续地改变，从而达到调速的目的。采用变频调速的异步电动机的

2、机械特性如图 f1f2f3f4f5 6.1 通用变频器：基本原理4通用变频器多为交-直-交结构，把来自电网的工频交流电变换成负载所需的其它频率和电压的交流电，主要由整流器、中间环节、逆变器和控制电路组成。6.1 通用变频器：基本原理56.1.1 6.1.1 通用变频器中的整流环节通用变频器中的整流环节 整流电路分为可控整流电路和不可控整流电路两种。不可控整流电路由功率二极管组成，对于三相变频器一般采用三相桥式结构。整流输出的直流电压与电源电压成正比，如果电源相电压有效值为U，则输出直流电压（或输出电压平均值）为2.34 U，随电源电压变化，不能随意调节。不可控整流电路简单，另一优点是输入电流和

3、电源电压基本可保持同相位。不可控整流器的输出端如果接电容滤波，输入电流不是正弦波，有较大的畸变，所以功率因数不为1。不可控整流电路不可控整流电路 66.1.1 6.1.1 通用变频器中的整流环节通用变频器中的整流环节在一些小容量的PAM变频器中，整流电路可以在不可控整流器的输出端接一个直流斩波器，起到调节整流电压的作用，斩波器的形式多为降压型。如图 不可控整流电路加斩波器不可控整流电路加斩波器76.1.1 6.1.1 通用变频器中的整流环节通用变频器中的整流环节 可控整流电路由晶闸管组成，一般为三相桥式全控电路，输出电压可以调节。如果改变控制角，可以使晶闸管电路工作在整流和逆变两种状态。逆变状

4、态可以把中间电路中储存的能量回馈给电网。用一组晶闸管组成的整流电路可以作到输出电压Ud改变方向，但输出电流Id不能改变方向，在Ud-Id平面上工作在第1、2象限。还有一种叫做可逆式的整流电路，主电路由两组三相桥式可控电路组成，两组整流桥都可以工作在整流和逆变两种状态，输出电压和输出电流均可正可负，可在Ud-Id平面上的4个象限工作。这种结构的整流电路用于电流型变频器，能量可以在电网和负载之间双向传递。可控整流电路86.1.1 6.1.1 通用变频器中的整流环节通用变频器中的整流环节 电路结构及工作模式电路结构及工作模式96.1.2 6.1.2 通用变频器中的中间环节通用变频器中的中间环节 无论

5、是哪种形式的整流电路，其输出电压和电流如果不加处理都有一定的波动，必须对其进行滤波才能提供给逆变器使用。对整流输出的滤波是中间环节的一个重要任务。滤波元件可以是电容，也可以是电感，在整流电路的输出端并联电容进行滤波使逆变器的输入相当于接一个电压源，这种变频器因此叫做电压源型变频器。如果在整流电路的输出端串联电感滤波，逆变器输入端相当于接电流源，变频器也因之叫做电流源型。滤波元件决定电源形式滤波元件决定电源形式106.1.2 6.1.2 通用变频器中的中间环节通用变频器中的中间环节 电压源型滤波器电容的容量都很大，一般为多个电解电容串并联组成，所以在设备刚接通电源时会产生很大的瞬间充电电流，为限

6、制这个电流，可采用多种措施，如图 限制电容充电电流的措施限制电容充电电流的措施11电流型滤波电路用电感进行滤波，其结构如图。电感的作用使整流电路的输出电流保持恒定，相当于一个恒流源。电流型变频器的主要优点是可以使被驱动的异步电机工作在电动状态，也可以使电机工作在回馈制动状态，正因为如此，整流电路采用晶闸管可控整流。6.1.2 6.1.2 通用变频器中的中间环节通用变频器中的中间环节电流源型整流电路电流源型整流电路126.1.2 6.1.2 通用变频器中的中间环节通用变频器中的中间环节 动力制动就是为电容上的过量的能量的释放寻找一个途径。具体方法是，在中间环节中接入一条支路，由一个全控型开关器件

7、和一个能耗电阻组成。平时电子开关处于关断状态，制动支路不起作用，进入制动状态，当电容电压上升到某规定值时，电子开关VT导通，电容的能量经VT释放在制动电阻上。由于制动电阻的功率和体积都较大，通常通过接线端子接在变频器的外部。动力制动制动电阻动力制动制动电阻136.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节 三相输出的变频器的逆变电路尽管在开关元件的选用、电子开关的构成、控制方式等多个方面有很大的差异，但其逆变电路的基本拓扑结构都是一个三相桥式电路，有6个桥臂，每个桥臂为一个电力电子开关，如图 电力电子开关可以直接采用全控型电力电子器件，如GTR、GTO、IGBT等，也可以

8、采用晶闸管加辅助换流电路组成电子开关。146.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节PAM控制方式 该工作方式是在输出交流电的每一个周期中6个电子开关通断一次，通断的顺序为：1234561。输出电压的波形为方波或阶梯波，电子开关的导通持续时间为120或180。120导电和180导电型的输出线电压和相电压的波形是不同的，第三章已作过较详细的介绍，不再赘述。三相交流异步电动机的输入功率为 式中 P1电机输入功率（W）；U1定子相电压（V）；I1定子相电流（A）；1 定子电路功率因数角。156.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节 电动机的输出机

9、械功率为式中 P2电机的输出功率（W）；TM电机的输出转矩（Nm）；nM电机的转速（r/min）。在进行变频调速时，一个重要的原则就是在输出频率为任何值时保持磁通不变。由电机学可知，电动机中气隙的主磁通、定子绕组中的感应电动势E和电源频率f之间有以下关系166.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节在变频器中，可以通过控制定子电压与定子频率之比E/f不变的方法来保持磁通基本恒定。即当变频器的输出频率发生变化时，输出电压有效值也按一定的比例做出变化。这就是为什么要调节变频器中逆变器输入电压的原因。应该指出的是，当变频器的输出频率高于电源频率时，输出电压的有效值是不可改变

10、的，因为如果这样会使电动机的定子电压高于其额定值，这是不允许的。在此时变频器的输出是频率变高，输出电压保持额定值不变，由于输入功率不变而转速增高，电机的转矩会变小。只要保证感应电动势和定子电压的频率不变，磁通就不会改变。电动机定子的感应电动势E是难以直接控制的，但它与定子电压U1非常接近，在电压较高时更是如此。17PWM控制方式6.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节 全控型器件的工作频率在不断地提高，适合于用做PWM控制方式的变频器的开关器件。所以现在中小功率的通用变频器产品大量地采用这种控制方式，目前所用的开关器件多为IGBT。此类变频器的整流电路为不可控式，减

11、少了一个可控环节，不仅使电路有一定的简化，而且也提高了可靠性。中间环节多采用电容滤波形成直流恒压源输出，为了为滞后于输出电压的负载电流提供通路，每一个桥臂都有续流二极管与IGBT并联。采用PAM控制需要随着逆变器输出频率的改变不断调节整流电路的输出电压幅度，并且输出电压为方波或阶梯波，波形质量不好。186.1.3 6.1.3 通用变频器中的逆变环节通用变频器中的逆变环节PWM逆变器的工作原理在第三章中已做过比较详细地介绍，在此不再重复。196.1 6.1 通用变频器通用变频器应用实例应用实例机械式机械式立体车立体车库系统，库系统，采用了采用了变频技变频技术。术。主电主电机采机采用西用西门子门子

12、MM-MM-440440变变频器频器供电。供电。主驱动为一台主驱动为一台30KW的的异步电动机。异步电动机。本项目由山东交通学院与济南重机集团联合完成206.2.1 软启动软启动器器基本基本结构结构6.2.2 软软启动器启动器控控制方式制方式软启动器软启动器6.2.4 软软启动器启动器的保护的保护功能功能6.2.3 软启软启动器的停动器的停车控制车控制6.2 软启动器软启动器21中压软启动器普通的工业用软启动器大功率软启动器煤矿用防爆型软启动器6.2 软启动器:外形226.2.1 6.2.1 软启动器软启动器基本结构基本结构236.2.1 6.2.1 软启动器软启动器基本结构基本结构 软起动器

13、主电路的核心部件其实就是三组反并联的普通型晶闸管或者是三个双向晶闸管，可以有6个接线端子。这三条支路根据工作需要可以构成三相交流调压器，视与三相负载连接方式的不同，调压器可以是无中线的星形负载形的,也可以每一组晶闸管与一相负载串联，然后组成一个三角形。当然，如果三相星形负载的中心点与电源的中线连接，就成了有中线的三相交流调压器。为了在负载长期运行于全电压时提高系统的效率和可靠性，每一组反并联晶闸管的两端还并联一个接触器触点，在起动和停车过程中，接点断开，电源通过晶闸管给负载供电。在负载长期运行于全电压时触点闭合，晶闸管停止工作。246.2.1 6.2.1 软启动器软启动器基本结构基本结构晶闸管

14、保护电路：晶闸管保护电路：软起动器中晶闸管的常用保护电路都已经有完善的设置。通常有电流保护用的快速熔断器、过电压保护用的压敏电阻、对电压上升率du/dt进行限制的RC保护电路等。控制电路：控制电路：按照软起动器控制的要求向晶闸管输出触发脉冲，设定参数和来自检测电路的电压、电流或速度信息实时地确定每一次触发脉冲的控制角，形成触发脉冲输送给各个晶闸管。检测电路：检测电路：软起动器中一般都有三相交流电的电压和电流传感器。将设备运行时的相关的检测信息输入到控制电路。操作界面：操作界面：软起动器产品都有比较友好的人机界面。包括显示器、键盘等。操作者可以输入控制信息，同时可以通过液晶显示屏获取设备运行的情

15、况。256.2.1 6.2.1 软启动器软启动器基本结构基本结构 三相调压器对电动机的定子电压进行调节，不同的定子电压会使电动机表现出不同的机械特性，如果电源频率不变，电压的大小不影响电机的空载转速，但随着电压的减小电动机的最大转矩也会减小。266.2.2 6.2.2 软启动器软启动器控制方式控制方式起动时软起动器的输出电压从低于额定电压的某一数值开始，以线性规律逐渐上升。电压上升时间和初始电压都可以由用户自行设定，起动过程中电压的变化如图。由电机学知识可知，交流异步电动机定子电压减小会使定子电流也随之减小，这样起动时电动机的定子电流就会受到限制。如果起动电流过小，可能会出现起动转矩小于负载转

16、矩的情况，此时电动机不能启动，因此，对此类负载启动时的初始电压不能设定得过低。1电压斜坡起动276.2.2 6.2.2 软启动器软启动器控制方式控制方式这种起动方式是把定子电流作为起动过程的控制对象，电流信息由软起动器中的电流传感器获取。在起动过程中，电动机输出的转矩不但要克服负载的阻力矩，由于加速的需要，还必须产生一个加速转矩。这样，电动机的定子电流一般要比稳速运行时大许多倍。过大的起动电流会产生一些不良的后果。限电流起动就是通过软起动器把起动期间定子的电流限制在某预先设定的最大值以内，定子电压随电流变化的需要而改变。2限电流起动286.2.2 6.2.2 软启动器软启动器控制方式控制方式该

17、方式是将电机的转速作为控制对象，在起动时间TQ中，转速从0依线性规律上升到额定值，如图6-12(c)所示。采用这种方法必须要有速度反馈信息，系统中要安装速度传感器。来自传感器的速度信息与软起动器的控制电路连接形成速度闭环，通过改变软起动器的输出电压的方式使得速度线性上升。3速度斜坡起动296.2.2 6.2.2 软启动器软启动器控制方式控制方式采用软起动器也可以对电动机进行全电压起动，即从起动过程的开始软起动器中的所有晶闸管就全导通，控制角为0，输出电压即为电源电压。而在停机时软起动器中的所有晶闸管立刻同时关断。这种方式软起动器实际上是作为一个三相电力电子开关使用的，代替了控制电机起、停的交流

18、接触器的作用。由于电子开关无噪声、无火花，寿命也比一般电磁接触器长，所以在一些对上述情况有特殊要求的场合，选用软起动器控制电机的起停是有利于提高控制质量的。4全电压起动306.2.2 6.2.2 软启动器软启动器控制方式控制方式电动机定子电压的降低会使其转矩随之下降。在电压斜坡起动方式中，对有些对起动转矩要求较大的负载，起动电压的降低可能导致无法起动了。可以在电压斜坡软起动的基础叠加一个有较大幅度的脉冲，叫做“脉冲突调”。在刚进入起动过程的很短的一段时间，可以产生足以使电机转动的转矩，电机开始运动后，上述脉冲消失。5“脉冲突调”的加入316.2.3 6.2.3 软启动器的停车控制软启动器的停车

19、控制在一个设定的时间TR内，使电动机的定子电压逐渐下降，最终降低到0。这段时间比电动机滑行停车所需的时间要长，如图。应该注意的是，滑行停车时，起动器实际上已不再输出电压了，图中滑行停车的电压可理解为是由电机的转子和定子之间的相互切割所形成的电压。软停车1326.2.3 6.2.3 软启动器的停车控制软启动器的停车控制此种方法用于要求电机停车比滑行停车时间更短的场合，电压的变化规律如图。在此过程中，软起动器要给电动机施以制动电流，产生与电机转动方向相反的制动力矩，使电机尽快停止下来。2快速停车336.2.3 6.2.3 软启动器的停车控制软启动器的停车控制这种方式在精确定位、点动等情况下经常用到

20、。为了满足这种要求，有些软起动器设计了“精确停车”功能。这种功能的实现方法如下：首先对一个高速运行的电动机施加制动力矩（加反向电压），使其转速迅速下降，并保持一个较小的转速（如额定转速的7%或15%）稳速运行，在接到停车命令时立即制动力矩电机在很短的时间停下来。3精确停车346.2.4 6.2.4 软启动器的保护功能软启动器的保护功能过载保护：过载保护：通过检测工作电流计算出I2t，如果出现过载，即进行分断操作。欠电压欠电压/过电压保护：过电压保护：当电源电压高于或低于设定的数值时，软起动器停机。欠载保护：欠载保护：如果工作过程中负载电流突然下降到0或一个很小的数值，说明负载电路出现异常，软起

21、动器停机。失速保护：失速保护：如果在完成起动过程以后电动机的转速与预期的数值还有较大的差异，说明电机运行不正常，失速保护电路动作，使电机停机。356.2.4 6.2.4 软启动器的保护功能软启动器的保护功能过热保护：过热保护：本功能是针对晶闸管的，软起动器的内部设有温度传感器，根据由其获得的温度信息，一旦温度过高，就停止输出晶闸管的触发脉冲。电源线路故障和接地保护：电源线路故障和接地保护：出现电源断线、负载回路断线、晶闸管短路等故障时，该保护电路动作，发出报警信号或停机。晶闸管的常规保护：晶闸管的常规保护：每个晶闸管支路都有过电压保护用的压敏电阻、过电流保护用的快速熔断器、抑制du/dt用的R

22、C保护电路，对晶闸管进行保护。电压不平衡保护：电压不平衡保护：三相交流电压的不平衡包括三相电压的幅度不相等和各相相位不正确，一旦发生这些情况软起动器也会停机。366.3 6.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器的主电路与交流相控式调压器完全相同，由三组反并联的晶闸管或三个双向晶闸管构成，三条支路的6个端子可与外电路连接成不同的形式：星型或三角型。调功器采用通断式控制方式，各支路的晶闸管连续导通几个周期后又持续截止一段时间。通过晶闸管周期性地通断可以调节负载的功率。设交流电源电压的周期为T，晶闸管的通断周期为TC，其中共包含N个交流电周期，即TC=NT。负载得到的电压有效值UO为

23、 在TC一定的情况下，通过改变每工作周期中晶闸管的导通时间对应的交流电周期数n可以达到调节输出电压有效值的目的。376.3 6.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器386.3 6.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器各种调功器外形396.3 6.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器 与相控式交流调压器相比，交流调功器的优点是工作时不产生附加的相位移，电阻负载时可使功率因数为1。但是这种工作模式使电源电压断断续续地加在负载上，只适合在时间常数很大的负载中应用。调功器的电压和电流的测量也不能用普通的电压表和电流表。交流调功器输出电压的调节是通过改变每周期中输出正弦波的个数即改变n来实现的，n只能是

24、整数，所以输出电压的调节实际上不是连续的。交流调功器中晶闸管电流的计算要以晶闸管导通期间的电流为依据，而不能按一个工作周期（TC）中的平均电流，如果晶闸管导通时负载的相电流有效值为IR，则此时晶闸管的电流的电流选择依据为 406.3 6.3 晶闸管交流调功器晶闸管交流调功器为了避免晶闸管开通期间输出电压和电流的跳变对负载和同电网的其它设备的不良影响，交流调功器通常采用“过零触发”的方式，即晶闸管总是在电源电压的过零点被触发导通，使负载电流和电压每一次出现都是从0开始。下图是一种分立元件组成的过零触发控制电路的原理图。416.4 不间断电源不间断电源UPS6.4.1 6.4.1 不间不间断电源的

25、类断电源的类型型.不间断电不间断电源源UPS6.4.2 6.4.2 不间不间断电源的主断电源的主要单元电路要单元电路构成构成426.4 6.4 不间断电源不间断电源UPSUPS不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）也是一种常用的电力电子设备。其作用是在市电停电时为一些重要设备提供交流电，保证这些设备的供电不中断。视应用场合的不同，UPS的容量在数百VA到数千KVA。UPS的基本原理就是在市电停电时把一组蓄电池提供的直流电能转换成与电网电压和频率相同的交流电能供给负载。而在市电供电正常时，UPS将市电整流为蓄电池充电，同时还对电源电压进行滤波、进行功率因数补

26、偿，为负载提供更高质量的交流电能。什么是不间断电源什么是不间断电源不间断电源的基本原理不间断电源的基本原理436.4 6.4 不间断电源不间断电源UPSUPS电力用UPS小功率小功率UPSUPS工业级工业级UPSUPS工业用UPS446.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型1.1.后备式后备式UPSUPS 在有市电供给时，转换开关接“1”，交流电源经滤波器和稳压电路向负载供电。同时充电器向蓄电池充电。市电停电时，转换开关接“2”，蓄电池输出能量，经逆变器转换成与电网频率相同电压相同的交流电供给负载。由于后备式UPS在市电停电后逆变电路才开始工作，所以又称为离线式（Offline

27、）。456.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型2.2.双变换在线式双变换在线式UPSUPS 所谓“双变换”是指这种UPS的主电路中有整流和逆变两个变换装置。在市电正常供电时，转换开关接“2”位置，电网电压经输入滤波器接整流电路的输入端，整流器输出的直流电能供给逆变器，再由逆变器将其变为交流电能供给负载。为了提高系统的效率，有时也可以将转换开关置于“1”位置，此为旁路状态，电网电能不经过变换器而直接供给负载。466.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型3.3.在线互动式在线互动式UPSUPS在线互动式UPS的主回路简化电路如图。主要包括三个部分：蓄电池、具有双向

28、能量传输功能的ACDC变换器、多抽头电源变压器和继电器组。市电供电时，继电器组中的一个接点接通，负载经变压器直接向电网摄取能量，由图可以看出，此时电源与负载实际上相当于接有一个自耦变压器。继电器组中不同接点的闭合可以使负载得到不同的电压。476.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型电网停电时，继电器组的所有接点断开，变换器工作在逆变状态，把蓄电池提供的直流电能变为交流电能，经变压器供给负载。这种UPS的优点是结构比较简单、廉价；正由于结构简单所以可靠性好；因为电网供电时能量传输只通过一个自耦变压器，所以效率也比较高（最高可达98%）；两种状态的切换速度也比较快（一般不大于20m

29、s）。缺点是在电网供电时仅靠继电器组的接点来调节自耦变压器绕组的抽头，电压的调节是有级的，而且也没有更多的改善供电质量的措施，所以供电质量相对较差。486.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型4.Deltar4.Deltar变换式变换式UPSUPSDeltar变换式也叫增量变换式，意思是当电网供电时，负载电压是在电源电压的基础上再叠加一个增量电压。这个增量电压可正可负，与电网电压叠加的目的是使负载电压稳定在额定电压范围。电路中包括Deltar变换器、主变换器、蓄电池、增量变压器、滤波电路、转换开关电路等。496.4.1 6.4.1 不间断电源的类型不间断电源的类型 Deltar

30、变换器变换器是一个能量可以双向传输的AC/DC变换器，当有市电供给时，它的作用是进行电压补偿，其交流侧产生一个与电源电压同频率的正弦电压u1输出到增量变压器TM的一次侧，经TM耦合到二次侧，TM二次侧的电压u2与电源电压串联共同作用在负载端，如果电源电压低于额定值，TM二次侧电压与电源电压相位相同，两者叠加后使负载电压增大而达到额定值；反之，如果电源电压高于额定值，TM二次侧电压与电源电压相位相反，抵消电源电压，使负载电压为额定值。由于增量变压器的输出与电网电压是串联的，而主变换器的输出与负载又是并联的，所以这种结构的UPS又叫做“串并联调整式串并联调整式”变换器。506.4.1 6.4.1

31、不间断电源的类型不间断电源的类型 主变换器主变换器也是一个能量可以双向传递的AC/DC变换器。其作用是：对电流的谐波成分进行补偿，使其保持基波成分而尽可能地衰减谐波成分，并对负载电流进行相位补偿，这样可以使整个系统的功率因数接近于1。同时，与Deltar变换器类似，主变换器在工作时的不同时段也是有把蓄电池的直流电能变成交流电能输出给负载和从交流电网吸取交流电能变换成直流电为蓄电池充电这两种情况。所以，蓄电池的充电和浮充任务是由Deltar变换器和主变换器共同完成的。516.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成 UPS包括整流电路、充电电路、逆变电路、转换

32、电路等，尽管电路的具体结构不尽相同，但都存在着一定的共性。另一方面，上述电路中有的已在前面的内容中有过较详细的介绍，有的还有一些新的要求。在线双变换UPS中，整流电路将电网的交流电先由整流电路变换成直流电能供给逆变电路。由于逆变电路本身要求输入直流电压是可以调节的，并且电网电压的波动不应该影响整流电压的输出，所以整流电路一般都是可控的。对于容量较大的UPS，采用晶闸管三相桥式半控电路、晶闸管三相桥式全控电路、双反星形电路等。1.整流电路整流电路526.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成充电电路实际上也是一个整流电路。所以在一些大型的UPS中，两者多为合

33、二为一的。这样可以使电路得到简化。但是，蓄电池充电对电压和电流的要求与整流电路的电压变化是有区别的，蓄电池的充电要求恒压或恒流方式，而整流器的输出电压要根据逆变器的情况进行调整。因此为兼顾两者的要求，整流部分的控制电路要比一般的设备复杂一些。2.充电电路充电电路对于小型的UPS设备，蓄电池的容量比较小，充电电流也比较小，一般采用专门一个开关式稳压电源做充电器的方法。并且一般无需变压器隔离，先把电网的交流电直接由二极管整流，再用简单的直流变换器调节到蓄电池需要的电压，采用的电路形式也为常见的升压型、降压型等形式。536.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成

34、下面是一种用于单相功率因数校正的一种方法。单相交流电经整流后形成单相全波整流波形，并联于整流桥输出端的电容C1容量不大，主要起高频滤波作用，不影响单相桥式整流波形。电感L、开关管VT、二极管VD组成升压型斩波电路。控制电路有4个信号输入端A、B、C、D。电压uA取自整流输出电压，其波形与整流输出相同。电压uB为电感电流iL的检测信号，反映电感电流的大小。电阻R4串联在开关管VT的发射极，其作用是检测VT的电流iT，所以与电子开关VT的电流成正比。电容C2为滤波电容，两端的电压为输出直流Ud，所以电压uD与Ud成正比。3.功率因数校正电路（功率因数校正电路（PFC）功率因数校正电路结合在整流电路

35、中，其基本思路是在整流电路中不管负载的状况如何，始终保持电源电流为与电源电压同相位的正弦波，从而使功率因数为（或接近）1。546.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成556.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成在逆变器主电路开关元件的选择方面，则主要决定于设备的容量。小功率的UPS可以选用MOSFET，大、中功率的UPS多采用IGBT。4.逆变电路逆变电路主电路形式根据供电容量、对输出电压的要求、使用场合等因素来决定。由全控器件组成的推挽式、半桥式、全桥式逆变主电路都被采用。小功率UPS多采用推挽式结构。大、中功率

36、的逆变器则多采用全桥式结构。逆变器输出电压的波形也根据不同的要求确定不同的模式。有方波、阶梯波和正弦波等。一般小容量UPS多用于给计算机或为数不多的小型设备供电，多采用方波和阶梯波输出。这样可以作到使逆变器结构简单、控制方便、节省成本。大功率UPS的用电设备对功率因数、波形的畸变有较高的要求，就必须正弦波输出的逆变器了。566.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成5.滤波电路滤波电路 各种滤波电路都采用LC电路。从对高频交流成分的旁路和阻碍作用上看，LC的数值越大，滤波的效果越明显。但是，电感和电容都是储能元件，具有一定的惯性，会对负载产生一定的附加相位

37、移。另一方面，LC参数增大导致整个系统惯性的增大也会影响到系统的快速响应性，即控制指令发出后要经过一定的时间滞后才能够达到调节效果。所以，LC参数不能选得过大。通常可根据下式选择LC参数式中fS电子开关的工作频率（Hz）。576.4.2 6.4.2 不间断电源的主要单元电路构成不间断电源的主要单元电路构成6.转换开关转换开关 从UPS的结构框图中可以看出，其负载端都有一个转换开关，用以将负载电压在电网供电和逆变器供电之间转换。因为这个开关直接通过负载的电流，所以容量较大，而它的动作时间又直接反映出UPS的切换时间。目前UPS产品中采用的转换开关有三种，分别是机械式接触器、静态开关和混合式开关。

38、586.5 6.5 开关电源开关电源线性电源的结构和缺点线性电源的结构和缺点线性电源的稳压电路是串联在输出电路中的一个大功率调整管。根据输出电压的变化情况晶体管C-E之间的电压随时变化。使负载电压稳定在某要求的数值上。线性电源缺点：其一是要有电源变压器，使整个电源电路体积、重量都难以减小。另一个缺点是调整管串联在电路中，其电流不小于负载电流，因此会消耗大量的功率。596.5.1 6.5.1 开关电源的结构开关电源的结构交流市电整流后的电压经电容滤波，得到高电压的直流电。该直流电送往逆变器的输入端，经逆变器变换，变为高电压高频交流电，逆变器输出的交流电能接高频降压变压器的原边，降压后再由高频整流

39、电路整流得到低电压直流电。由于经逆变器产生的高频交流电的频率比工频高得多，所以高频变压器的体积要比同容量的工频变压器小得多，从根本上减小了整个电源的体积和重量。606.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路工频整流电路一般为不可控整流电路，根据电源容量的大小，可以是单相整流，一般选用单相桥式结构，大容量的开关电源可用三相交流电源，整流电路可用三相半波和三相桥式不可控整流电路。整流电路中二极管额定电压和通态平均电流的选取与一般整流电路相同。小功率单相整流电路可用全桥或半桥整流模块。整流器件在满足额定电压和通态平均电流的前提下没有其它特殊的要求。二极管整流后的滤波电路为电容滤波，

40、使用大容量的电解电容一般几百、几千F甚至更大。因为大容量的电解电容都存在着较大的等效电感，对于高频电流成分的通过有较大的阻碍作用，所以经常有一个容量较小的其它结构的电容与电解电容并联，为电流中的高频成分提供通路，改善滤波效果。1.工频整流和滤波电路工频整流和滤波电路616.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路 输出端的整流电路是把来自高频变压器次级的交流电压转换为直流，所用的整流器件必须满足频率的要求。整流电路的接线形式与变换器的形式有关。一些小功率的开关电源，变换采用单端电路，即单端正激式和单端反激式（回扫式），此时整流电路只能用半波整流结构，因为变换器只有半个周期输出能

41、量。2.高频整流的半波、全波和桥式结构高频整流的半波、全波和桥式结构626.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路 如果开关电源中的逆变电路为桥式、半桥式或推挽式，逆变器生成的交流电压在两个半周中都向外输出能量，所以整流电路应采用全波整流或桥式整流。全波整流需要变压器的次级绕组中设中心抽头，并且要求两半的绕组尽量对称。636.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路在开关电源的高频整流电路中，还有一种倍流整流电路被采用，电路原理图 3.倍流整流倍流整流646.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路t0t1段，段，变压器次级电压u2为正，二极管

42、VD1导通，电路中有两个导电回路，其一是VD1负载L2变压器次级VD1。另一条是VD1负载L1VD1。由于L2回路中有电源，L2从电源u2获得能量，所以iL2线性上升。L1的回路中没有电源，L1释放能量，使得iL1下降。如果此时变压器次级电压的幅度为U2，则电感L2中的电压为uL2=U2-UO，电感L1中的电压为uL1=UO。此阶段的持续时间为ton。t1t2段，段，持续时间为toff。当变压器次级电压u2为0时，由于电感的储能作用，iL1、iL2都不为0，分别通过VD1、VD2与负载形成回路，由于电感释放能量，iL1、iL2线性下降。此此阶段uL2=uL2=UO。65t2t3段段，变压器次级

43、电压为负，电路中又形成两个回路，第一个回路的路径为VD2负载L1变压器次级VD2，L2从电源u2中获取能量，使得iL1上升。另一个回路为VD2负载L2VD2，这个回路为L2释放能量的通路，iL2下降。此过程中变压器次级电压为-U2，电感L1中的电压为uL1=U2-UO，电感L2中的电压为uL2=UO。6.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路t3t4段，段，变压器次级电压又变成0，L1、L2中储存的能量分别通过VD1和VD2向负载释放，iL1、iL2线性下降。此过程与t1t2段完全相同，uL2=uL2=UO。666.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路根据

44、电感两端无直流电压降的原则，下式应该成立 令工作周期TS为 占空比为 负载电压UO与变压器次级电压的幅度U2之间的关系为 676.5.1 6.5.1 开关电源的整流电路开关电源的整流电路 同步整流的目的是尽可能地减少整流器件的通态压降造成的整流电压的损失。在一些输出电压很低、输出电流又很大的场合，即使二极管的导通压降仅有零点几伏也会造成很大的功率损耗。因此寻找一种导通压降小的整流器件对降低电源的功耗是非常有利的。低电压的MOSFET的导通压降比二极管要低得多，用来做整流器件可以达到上述目的。4.同步整流同步整流686.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路 开关电源中的一个重

45、要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的直流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。一些小功率的开关电源是通过单端式DC-DC变换器来实现的，如第四章介绍的单端正激、单端反激式直流变换器，属于斩波器的内容。这类电路没有专门的逆变电路，而高频整流电路也属于DC-DC变换器的一部分。但多数开关电源的主电路中，工频整流滤波之后有一个逆变电路，将高压直流电能变换成高频、高压交流电能，然后再对其进行降压和整流最终得到负载所需的直流电压。696.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路半桥式电路半桥式电路:输入直流电压为U，电容C1、C2容量相等，使得两者的连接处

46、电位为电源电压的一半。变压器初级电压经整流后其平均值为 如果变压器的变比k，则次级电压整流后的直流输出为 706.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路半桥式电路的工作波形716.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路 全桥式电路全桥式电路:输入直流电压仍为U，与一般桥式电路一样，电路工作时，在一个工作周期中 VT1、VT4同时导通，此时VT3、VT2关断。下一个周期中则是VT1、VT4同时关断，VT3、VT2导通。VT1、VT4同时导通时变压器初级的电压为U，而VT2、VT3同时导通时变压器初级的电压为-U。逆变电路输出电压经变压器降压和整流后得到的直流电

47、压为 726.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路 推挽式电路推挽式电路:与半桥电路一样主电路也是只有两个开关器件，但是其变压器的初级有中心抽头，而且要求抽头两侧的绕组要尽量对称。变压器次级电压的波形应与全桥式电路完全相同，变压器次级电压经整流后得到的直流电压也与全桥电路一致，可用同一公式来计算。73比较全桥式和推挽式两种电路，全桥式电路需要4个电子开关器件，不仅主电路成本会提高，控制电路也会相应地复杂，而推挽电路的主回路只有2个开关器件，相对简单一些。但是推挽电路的变压器比较复杂。另外，从电路结构上可以看出，全桥电路电子开关承受的最大电压即是直流电源电压，而推挽电路在一个开关器件截止而另一个导通时，截止的器件承受的电压为初级两个绕组电压之和，为直流电源电压的2倍，在工作电压较高时，会较大地增加电子开关的成本。6.5.1 6.5.1 开关电源的逆变电路开关电源的逆变电路全桥式和推挽式两种电路的比较全桥式和推挽式两种电路的比较74