基于軟開關(guān)的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)（論文）資料

1、引言補(bǔ)償技術(shù)一直備受人們關(guān)注。無(wú)功補(bǔ)償有很多方法,主要有同步調(diào)相機(jī)；靜止無(wú)功補(bǔ)償器svc(staticvarcompensator)；靜止無(wú)功發(fā)生器svg(staticvargenerator)；功率因數(shù)校正裝置pfc(powfactorcorrector)；既可以治理諧波又可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠性礊V波裝apf(activepowerfilter) 和并聯(lián)電容器。在這些無(wú)功補(bǔ)償方案中,同步調(diào)相機(jī)由于其本身所固有的缺點(diǎn)(噪聲大,損耗大)已經(jīng)過時(shí)；svg雖然具有各種優(yōu)越的性能,但它控制復(fù)雜,價(jià)格昂貴,短期內(nèi)難以在我國(guó)電力系統(tǒng)推廣使用；pfc是針對(duì)某一種拓?fù)涞母倪M(jìn)(一般是整流器),是針對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)的方

2、案,不是單獨(dú)對(duì)電網(wǎng)的；apf一般說來控制比較復(fù)雜,且價(jià)格也比較昂貴,因此我國(guó)現(xiàn)行使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要是并聯(lián)投切電容器和晶閘管控制電抗器與固定電容的組合。用投切電容方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,由于電容的投切是分級(jí)進(jìn)行的,故產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也是階躍式的,一段運(yùn)行期內(nèi)(例如白天和夜間)不是過補(bǔ)償就是欠補(bǔ)償,無(wú)法使電網(wǎng)無(wú)功功率得到恰當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)補(bǔ)償。另外,目前電容的投切多采用msc,開關(guān)是機(jī)械式交流接觸器,其接點(diǎn)間容易拉弧粘連,工作壽命短,響應(yīng)速度慢,且投切過程還對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊電流和沖擊電壓。一些電容投切裝置改用無(wú)觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器,但它成本高,在流過大補(bǔ)償電流時(shí)將產(chǎn)生較大的額外損耗。軟開關(guān)切投技術(shù)的引用使得電容補(bǔ)償

3、變?yōu)榭烧{(diào)，不僅減少了頻繁投切同時(shí)避免了切投時(shí)對(duì)電網(wǎng)與電容的沖擊，且使開關(guān)使用壽命從電壽命上升到機(jī)械壽命，二者相差可達(dá)10 倍以上。無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性還是實(shí)用性,都有廣闊的前景。 第1章 緒論近年來,隨著全球工業(yè)話進(jìn)程的不斷加快,對(duì)地球環(huán)境的污染和破壞也空前加劇.維持,在全世界范圍內(nèi)掀起了環(huán)境保護(hù)的熱潮.電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境”，也面臨著污染，公用電網(wǎng)中的諧波電流和電壓就是對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的污染。人們對(duì)有功功率的理解非常容易,而要深刻認(rèn)識(shí)無(wú)功功率卻不是輕而易舉的。1.1 研究意義電網(wǎng)中電力設(shè)備大多是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，他們?cè)谀芰哭D(zhuǎn)換過程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等。電源能量在通

4、過純電感或純電容電路時(shí)并沒有能量消耗，僅在用電負(fù)荷與電源之間往復(fù)交換，由于這種交換功率不對(duì)外做功，因此稱為無(wú)功功率。無(wú)功功率反映了內(nèi)部與外部往返交換能量的情況，但是它并不像有功功率那樣表示點(diǎn)位時(shí)間所做的平均功率。電網(wǎng)中無(wú)功功率的作用很大，電動(dòng)機(jī)需要從電源吸取的無(wú)功功率來建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以使得正常運(yùn)轉(zhuǎn)；變壓器需要無(wú)功功率通過一次繞組建立和維持交變磁場(chǎng)才能在二次繞組感應(yīng)出電壓。因此，點(diǎn)感性用電設(shè)備不但需要從電源取得有功功率，還需要從電源取得無(wú)功功率才能滿足運(yùn)行的要求。在正弦電路中，無(wú)功功率的概念是非常清楚的，而在含有諧波時(shí)，至今尚無(wú)獲得公認(rèn)的無(wú)功功率定義。但是，對(duì)無(wú)功功率這一概念的重要性，對(duì)無(wú)功

5、補(bǔ)償?shù)闹匾缘恼J(rèn)識(shí)，卻是一致的。無(wú)功補(bǔ)償應(yīng)該包含對(duì)基波無(wú)功功率的補(bǔ)償和對(duì)諧波無(wú)功功率的補(bǔ)償。無(wú)功功率對(duì)供電系統(tǒng)和負(fù)載的運(yùn)行都是十分重要的。電網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)際負(fù)載,不可能為純?nèi)菪载?fù)載或者純感性負(fù)載,一般都是混合性負(fù)載,這樣電流在通過它們的時(shí)候，就有無(wú)功功率，此時(shí)的功率因素小于1，即無(wú)功功率不足。如果電網(wǎng)中無(wú)功功率不足，導(dǎo)致用電設(shè)備沒有足夠的無(wú)功功率來建立和維持正常的電磁場(chǎng)，就會(huì)造成設(shè)備端電壓下降，不能保證電力設(shè)備在額定的技術(shù)參數(shù)下工作，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行，產(chǎn)生有害影響。例如：1.降低有功功率，使得電力系統(tǒng)內(nèi)的電器設(shè)備容量不能得到充分利用。2.增加輸、配電線路中的有功功率和電能損耗。3.使線路

6、的電壓損失增大。原國(guó)家電力公司在供電所線損管理辦法（國(guó)電農(nóng)1999652號(hào)文)中規(guī)定:農(nóng)村生活和農(nóng)業(yè)線路功率因素不小于0.85;工業(yè)、農(nóng)副業(yè)專用線路功率因素不小于0.90；為了鼓勵(lì)用電單位提高功率因素，國(guó)家規(guī)定了功率因素調(diào)整電費(fèi)的方法。變壓器容量在315 kva及以上容量的工業(yè)客戶的功率因素標(biāo)準(zhǔn)為0.90；變壓器容量在100315kva的工業(yè)客戶功率因素標(biāo)準(zhǔn)為0.85；變壓器容量在100kva及以上的農(nóng)業(yè)客戶功率因素標(biāo)準(zhǔn)為0.80 。當(dāng)客戶月用電平均功率因素高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，以減少電費(fèi)的形式進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，功率因素越高，獎(jiǎng)勵(lì)的比例越大。反之，功率因素低于標(biāo)準(zhǔn)值，將以增加電費(fèi)的形式進(jìn)行懲罰，功率因素越低，

7、懲罰的比例越大，上交電費(fèi)就越多。因此必須進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。1.2 研究現(xiàn)狀無(wú)功補(bǔ)償有很多方法,主要有同步調(diào)相機(jī)；靜止無(wú)功補(bǔ)償器svc (staticvarcompens ator )；靜止無(wú)功發(fā)生器svg(staticvargenerator)；功率因數(shù)校正裝置pfc(powfactorcorr ector)；既可以治理諧波又可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠性礊V波裝apf(activepowerfilter) 和并聯(lián)電容器。同步調(diào)相機(jī)（synchronous compensator）由于同步電機(jī)處在過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，可以從電網(wǎng)汲取相位超前于電壓的電流，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載情況的不同，適當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁電流，可改變調(diào)相機(jī)汲

8、取的無(wú)功功率，使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近于1。此外,在長(zhǎng)距離輸電線路中，線路電壓降隨負(fù)載情況的不同而發(fā)生變化，如果在輸電線的受電端裝一同步調(diào)相機(jī)，在電網(wǎng)負(fù)載重時(shí)，讓其過勵(lì)運(yùn)行，減少輸電線中滯后的無(wú)功電流分量，從而可減少線路壓降；在輸電線輕載的情況下，讓其欠勵(lì)運(yùn)行，吸收滯后的無(wú)功電流，可防止電網(wǎng)電壓上升，從而維持電網(wǎng)的電壓在一定的水平上。同步調(diào)相機(jī)還有提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，但不帶機(jī)械負(fù)載，只向電力系統(tǒng)提供無(wú)功功率的同步電機(jī)。又稱同步補(bǔ)償機(jī)。同步調(diào)相機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在過勵(lì)狀態(tài),勵(lì)磁電流較大,損耗也比較大，發(fā)熱比較嚴(yán)重，同時(shí)有很大的噪聲。由于這些缺點(diǎn)，現(xiàn)已過時(shí)。靜止無(wú)功補(bǔ)償器svc (sta

9、ticvarcompens ator )靜止無(wú)功補(bǔ)償器是一種沒有旋轉(zhuǎn)部件，快速、平滑可控的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置。它是將可控的電抗器和電力電容器（固定或分組投切）并聯(lián)使用。電容器可發(fā)出無(wú)功功率（容性的），可控電抗器可吸收無(wú)功功率（感性的）。通過對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無(wú)功功率改變到吸收無(wú)功功率（或反向進(jìn)行），并且響應(yīng)快速。靜止無(wú)功補(bǔ)償器能雙向連續(xù)、平滑調(diào)節(jié)；與同步調(diào)相機(jī)相比，靜止無(wú)功補(bǔ)償器沒有旋轉(zhuǎn)部件，所以運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。同時(shí)靜止無(wú)功補(bǔ)償器調(diào)節(jié)速度快，因此具有很大的優(yōu)越性。它的缺點(diǎn)是本身產(chǎn)生諧波，若不采取措施將污染電力系統(tǒng)，一般有配套的電力濾波器。svg雖然具有各種優(yōu)越的性能,

10、但它控制復(fù)雜,價(jià)格昂貴,短期內(nèi)難以在我國(guó)電力系統(tǒng)推廣使用。功率因數(shù)校正裝置pfc(powfactorcorr ector)pfc的英文全稱為“power factor correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計(jì)算機(jī)開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要pfc電路提高功率因數(shù)。目前的pfc有兩種，一種為被動(dòng)式pfc（也稱無(wú)源pfc）和主動(dòng)式pfc（也稱有源

11、式pfc）。pfc是針對(duì)某一種拓?fù)涞母倪M(jìn)(一般是整流器),是針對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)的方案,不是單獨(dú)對(duì)電網(wǎng)的。有源濾波裝置apf(active power filter)apf（active power filter）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應(yīng)用可克服lc濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論是apf發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論；型號(hào)有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串

12、聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無(wú)源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振。apf一般說來控制比較復(fù)雜,且價(jià)格也比較昂貴,因此我國(guó)現(xiàn)行使用的無(wú)功補(bǔ)償裝置主要是并聯(lián)投切電容器和晶閘管控制電抗器與固定電容的組合。電容式無(wú)功補(bǔ)償用投切電容方式進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,由于電容的投切是分級(jí)進(jìn)行的,故產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也是階躍式的,一段運(yùn)行期內(nèi)(例如白天和夜間)不是過補(bǔ)償就是欠補(bǔ)償,無(wú)法使電網(wǎng)無(wú)功功率得到恰當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)補(bǔ)償另外,目前電容的投切多采用msc,開關(guān)是機(jī)械式交流接觸器,其接點(diǎn)間容易拉弧粘連,工作壽命短,響應(yīng)速度慢,且投切過程還對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊電流和沖擊電壓一些電

13、容投切裝置改用無(wú)觸點(diǎn)的固態(tài)繼電器,但它成本高,在流過大補(bǔ)償電流時(shí)將產(chǎn)生較大的額外損耗。 本次設(shè)計(jì)就是在電容式無(wú)功補(bǔ)償上所做的一種延伸，以求獲得更好的效果。1.3 研究設(shè)想眾所周知，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中是一個(gè)不可缺少的非常重要的裝置。而普通的容式補(bǔ)償，由于其結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，使得補(bǔ)償往往不到位，且有很大的沖擊電流。軟開關(guān)是電器回路中用于連通和切斷負(fù)載的一種方式和裝置，這種方式系指負(fù)載的切斷和接通不是瞬間突然地完成，而是逐漸地由小到大完成接通過程，逐漸地由大到小完成切

14、斷過程,避免了電路連接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)電流，沖擊電路中的器件。可以設(shè)想,引入軟開關(guān)技術(shù)可以避免了切投時(shí)對(duì)電網(wǎng)與電容的沖擊，且使開關(guān)使用壽命從電壽命上升到機(jī)械壽命。如果可以的話，無(wú)論是經(jīng)濟(jì)性還是實(shí)用性，都有廣闊的前景。本設(shè)計(jì)就是研究如何將軟開關(guān)技術(shù)引用到電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。通過對(duì)普通容式補(bǔ)償?shù)姆治鲞M(jìn)一步延展出連續(xù)無(wú)功可調(diào)方案。并配合多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種新的、功率因素可調(diào)節(jié)的無(wú)功補(bǔ)償方案。第2章 連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償方案無(wú)功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無(wú)功功率的傳統(tǒng)方法之一，目前在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用。電容補(bǔ)償就是無(wú)功補(bǔ)償或者功率因數(shù)補(bǔ)償。電力系統(tǒng)的用電設(shè)備在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，而且通常是電感性的，它會(huì)使電源的容

15、量使用效率降低，而通過在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)卦黾与娙莸姆绞骄涂梢缘靡愿纳啤?電力電容補(bǔ)償也稱功率因數(shù)補(bǔ)償(電壓補(bǔ)償,電流補(bǔ)償,相位補(bǔ)償?shù)木C合).。1.電容在交流電路里可將電壓維持在較高的平均值!(近峰值).(高充低放),可改善增加電路電壓的穩(wěn)定性。2.對(duì)大電流負(fù)載的突發(fā)啟動(dòng)給予電流補(bǔ)償!電力補(bǔ)償電容組可提供巨大的瞬間電流，可減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。3.電路里大量的感性負(fù)載會(huì)使電網(wǎng)的相位產(chǎn)生偏差,(感性元件會(huì)使交流電流相位滯后,電壓相位超前)90度，而電容在電路里的特性與電感正好相反，起補(bǔ)償作用。設(shè)置電容器補(bǔ)償無(wú)功功率具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電容的投切是分級(jí)進(jìn)行的,所以裝置常常有過補(bǔ)或者欠補(bǔ)的

16、缺點(diǎn)。2.1 并聯(lián)電容無(wú)功補(bǔ)償原理在實(shí)際電力系統(tǒng)中，大部分負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)。包括異步電動(dòng)機(jī)在內(nèi)的絕大部分電氣設(shè)備的等效電路可看作電阻r和電感l(wèi)串聯(lián)的電路，其功率因素為cos=r2+xl2 （2-1）式中xl=l。給r、l電路并聯(lián)接入c之后，電路如下圖 2-1電容式補(bǔ)償原理圖該電路的電流方程為i=ic+il (2-2)由圖2-2的向量圖可知,并聯(lián)電容后電壓u與i的相位差變小了,即供電回路的功率因素提高了。此時(shí)供電電流i的相位滯后于電壓u，這種情況稱為欠補(bǔ)償。圖 21欠補(bǔ)償矢量圖若電容c的容量過大,使得供電電流i的相位超前與電壓u,這種情況稱為過補(bǔ)償，其相量圖如圖2-3。圖 22過補(bǔ)償矢量圖通常不

17、希望出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r，因此這會(huì)引起變壓器二次電壓的升高，而且容性無(wú)功功率在電力線路上傳輸同樣會(huì)增加電能損耗。如果供電線路電壓因此而升高，還會(huì)增大電容器本身的功率損耗，使溫升增大，影響電容器的壽命。眾所周知，普通的容式投切是由多個(gè)硬開關(guān)控制著各級(jí)電容的投切。這種并聯(lián)電容式補(bǔ)償時(shí)電容器的投切由于是分級(jí)進(jìn)行的,故產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也是階躍式的,使電網(wǎng)經(jīng)常處于過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài),甚至功率因數(shù)不能接近1,供電設(shè)備的能力得不到充分地利用,供電線路的線損也不能降到最小值。軟開關(guān)是電器回路中用于連通和切斷負(fù)載的一種方式和裝置，這種方式系指負(fù)載的切斷和接通不是瞬間突然地完成，而是逐漸地由小到大完成接通過程，逐漸地由

18、大到小完成切斷過程。它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時(shí), 使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí), 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。由軟開關(guān)的理念得知，那么要解決的就是使得無(wú)功補(bǔ)償功率連續(xù)可調(diào)。本設(shè)計(jì)通過在普通電容式補(bǔ)償?shù)碾娙菹略黾右粋€(gè)可調(diào)式電壓源來實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償。2.2連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償原理圖 2-3連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償原理圖如圖2-4中電路所示：電網(wǎng)電壓為u，交流可調(diào)電壓源為uv，c為電容，要求uv的頻率和相位與電網(wǎng)電壓u相同，通過改變可調(diào)電源uv的幅值就可以改變c上無(wú)功電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)可調(diào)。顯然，此部分產(chǎn)生總的無(wú)功功率qc為： (2-3

19、)當(dāng)uv=u時(shí)，qc=0；當(dāng)uv=0時(shí)，qc=max，可見隨著uv在u0之間連續(xù)變化時(shí)，無(wú)功功率在0之間連續(xù)變化。值得注意的是，可調(diào)電壓源發(fā)出的無(wú)功qv為： (2-2)式中，當(dāng)即可調(diào)電壓源電壓為電網(wǎng)電壓的一半時(shí)，其輸出的無(wú)功功率qv最大為： (2-4)顯然，該可調(diào)電壓源的容量只需要補(bǔ)償容量的1/4。2.3 連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償仿真與驗(yàn)證為了驗(yàn)證通過增加電壓源使得無(wú)功連續(xù)可調(diào)的可行性，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。為了模擬日常的電網(wǎng)電壓，這里的v使用的是單相220v交流電壓源，可調(diào)電壓源由于要求和電網(wǎng)同頻同相，所以也使用單相交流電壓源。負(fù)載用的是10電阻和100uh電感串聯(lián)模擬?？紤]到不使補(bǔ)償電流過大，使用的是4.7

20、m電容做補(bǔ)償電容。仿真元件圖如下所示：圖 2-4連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償仿真元件圖在實(shí)用pspice軟件仿真15后：圖 2-6 uu=220v時(shí)圖 2-7 uu=110v時(shí)圖2-6為uv=220v, uv略微大于uu時(shí)的波形,此時(shí)電容中的電流ic為零 。圖中顯示電網(wǎng)電流iv就是負(fù)載的電流；它滯后于uu一定的角度。圖2-7為uv=110v時(shí)的波形。圖中顯示電容中的電流超前于電網(wǎng)電壓90度。電網(wǎng)電流還是滯后于電壓，但滯后的角度已經(jīng)沒有uu=220v時(shí)大。說明雖有補(bǔ)償作用但uv太小，補(bǔ)償?shù)娜菪詿o(wú)功功率偏小。所以只需要加大容性補(bǔ)償功率就可以使得電網(wǎng)的電壓和電流相位基本相同，負(fù)載所需的容性無(wú)功最大時(shí)可以完全由電容支

21、路提供。以上結(jié)果說明本連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償思路是可行的。第3章 軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的新思路3.1 硬開關(guān)與軟開關(guān)的區(qū)別眾所周知，普通的容式投切由多個(gè)硬開關(guān)控制著各級(jí)電容的投切。硬開關(guān)因?yàn)槭菣C(jī)械開關(guān)，它的開斷是瞬間的，所以優(yōu)點(diǎn)是連接速度快,但是同樣有很多的缺點(diǎn)：1.開關(guān)損耗大。開通時(shí)，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行；關(guān)斷時(shí)，電壓上升和電流下降同時(shí)進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。2.感性關(guān)斷電尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時(shí)，電路的感性元件感應(yīng)出尖峰電壓，開關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成器件擊穿。3.容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的

22、電壓下開通時(shí)，儲(chǔ)存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而引起器件過熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)期，開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動(dòng)作，易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對(duì)器件的安全運(yùn)行造成危害。4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的di/dt和dv/dt增大，從而導(dǎo)致電磁干擾（emi）增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。同時(shí)，并聯(lián)電容式補(bǔ)償時(shí)電容器的投切是分級(jí)進(jìn)行的,故產(chǎn)生的補(bǔ)償電流也是階躍式的,使電網(wǎng)經(jīng)常處于過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài),甚至功率因數(shù)不能接近1,供電設(shè)備的能力得不到充分地利用,供電線路的線損也不能降到最小值

23、。軟開關(guān)是電器回路中用于連通和切斷負(fù)載的一種方式和裝置， 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時(shí), 使器件關(guān)斷(或電壓為零時(shí), 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的emi 等問題。這種方式使得負(fù)載的切斷和接通不是瞬間突然地完成，而是逐漸地由小到大完成接通過程，逐漸地由大到小完成切斷過程。由此可以得知，設(shè)計(jì)中需要引入的就是軟開關(guān)那種逐漸調(diào)整接通過程或斷開過程的方式。在上一章節(jié)中介紹了連續(xù)可調(diào)的無(wú)功補(bǔ)償。但是由于其中的電容是固

24、定死的一級(jí)電容,使得它只可以適應(yīng)低壓的負(fù)載環(huán)境。為了使得它適應(yīng)各種高低壓負(fù)載類環(huán)境，就必須象普通容式補(bǔ)償一樣有多個(gè)電容并聯(lián)分級(jí)進(jìn)行的。為了避免使用硬開關(guān)，就需要各級(jí)電容補(bǔ)償都連續(xù)可調(diào)，但是又不可能每個(gè)電容下都加上一個(gè)可調(diào)式電壓源，從經(jīng)濟(jì)效益上考慮完全不可能，故需要一種新的電路連接方式。鑒于這個(gè)原因,本設(shè)計(jì)使用了多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3.1多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拓?fù)洌╰opology）是將各種物體的位置表示成抽象位置。在連接網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)湫蜗蟮孛枋隽诉B接的安排和配置，包括各種結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)的相互關(guān)系。拓?fù)洳魂P(guān)心事物的細(xì)節(jié)也不在乎什么相互的比例關(guān)系，只將討論范圍內(nèi)的事物之間的相互關(guān)系表示出來，將這些事物之間的關(guān)系通過圖表

25、示出來。設(shè)備要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，就需要以一定的結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行連接，這種連接方式就叫做拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通俗地講這些設(shè)備如何連接在一起的。常用的開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：buck開關(guān)型調(diào)整器拓?fù)?、boost開關(guān)調(diào)整器拓?fù)?、反極性開關(guān)調(diào)整器拓?fù)?、推挽拓?fù)?、正激變換器拓?fù)?、雙端正激變換器拓?fù)?、交錯(cuò)正激變換器拓?fù)?、半橋變換器拓?fù)?、全橋變換器拓?fù)?、反激變換器 、電流模式拓?fù)浜碗娏黟侂娡負(fù)?、scr振諧拓?fù)?、cuk變換器拓?fù)洹Ｃ糠N拓?fù)涠加衅渥陨淼奶攸c(diǎn)和適用場(chǎng)合。一些拓?fù)溥m用于離線式(電網(wǎng)供的)ac/dc變換器。其中有些適合小功率輸出(200v)或者多組(45組以上)輸出場(chǎng)合有的優(yōu)勢(shì)；有些在相同輸出功率下使用器

26、件較少或是在器件數(shù)與可靠性之間有較好的折中。較小的輸入/輸出紋波和噪聲也是選擇拓?fù)浣?jīng)常考慮的因素。 因此，要恰當(dāng)選擇拓?fù)?，熟悉各種不同拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)及適用范圍是非常重要的。錯(cuò)誤的選擇會(huì)使設(shè)計(jì)一開始就注定失敗。 而本次設(shè)計(jì)使用的是多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它與一般電源使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有所不同，下面以簡(jiǎn)單的二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行說明：sw4i2sw3c1c2i1usw1sw2uv 圖 3-1二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖如圖3-1所示為二級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：當(dāng)系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，如果電網(wǎng)需要增加無(wú)功，則先讓可調(diào)電壓源電壓uv=u ，然后合開關(guān)sw1，使補(bǔ)償電容c1在零電流條件下接入電網(wǎng)（zcson），隨后可根據(jù)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功，使uv逐步減小，

27、c1提供的容性無(wú)功將逐步增加。當(dāng)uv=0時(shí)，第一支路補(bǔ)償達(dá)到最大值，此時(shí)如果仍需要提供無(wú)功，則使sw3在零電壓條件下接通，同時(shí)斷開sw1。在sw1斷開后使uv又迅速增到u，閉合sw2，使電容c2在零電流條件投入，減小uv可連續(xù)增大第二支路償補(bǔ)電流大小，直到無(wú)功得到恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。反之，減少無(wú)功可通過增大可調(diào)電壓源的電壓來實(shí)現(xiàn)，具體操作方法則與增加無(wú)功相反。調(diào)節(jié)uv=u時(shí)，第二支路無(wú)補(bǔ)償，此時(shí)使sw2在零電流條件下斷開，在sw2 斷開后使uv 又迅速減小到0 同時(shí)閉合sw1，斷開sw3，使電容c1在零電壓條件投入，增大uv 可連續(xù)減小第一支路償補(bǔ)電流大小，直到無(wú)功得到恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。將以上的二級(jí)工作模式

28、推廣到更多級(jí)，進(jìn)行n級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建便形成了所說的多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在每一級(jí)上添加電容便可改變補(bǔ)償電容的總量，從而適應(yīng)各種高低壓環(huán)境。并且在各級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有開關(guān)都可以選用高壓斷路器。這樣通過可調(diào)電壓源配合,實(shí)現(xiàn)了電容器的零電流投切,減少了瞬時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊,而且也可大大延長(zhǎng)了投切斷路器和電容器的使用壽命。第4章 可調(diào)式電壓源的搭建從上文中可以看出，本次設(shè)計(jì)最重要的就是可調(diào)式電壓源的構(gòu)成了。由于可調(diào)式電壓源要求必須和電網(wǎng)電壓同頻、同相才可以，基于這個(gè)條件的要求，設(shè)計(jì)使用slh技術(shù)（即開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)）實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓源的搭建。4.1線性復(fù)合功率變換（slh）所謂開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)

29、，它的本質(zhì)是將開關(guān)放大電路與線性放大電路有機(jī)結(jié)合，充分利用后者的射（源）極輸出器單元獲取低阻輸出特性，從而增強(qiáng)功率變頻器本身的抗干擾魯棒性（對(duì)負(fù)載參數(shù)變化不敏感）和多類性質(zhì)（含非線性）負(fù)載的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了thd（total harmonic distortion）指標(biāo)與效率指標(biāo)的兼顧。它的基本原理圖如圖4-1所示。圖 4-1 slh基原理圖開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)主要的特點(diǎn)就是利用射極跟隨器的負(fù)反饋形成的系統(tǒng)強(qiáng)有力的抗干擾特點(diǎn)，構(gòu)成新型功率變換器，使得系統(tǒng)具有效率高、魯棒性強(qiáng)，構(gòu)成的電力變換裝置具有較高的性能，如傳動(dòng)系統(tǒng)的低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、抗干擾性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。該復(fù)合技術(shù)將電力電子純開關(guān)功率變換

30、電路與線性功率放大電路有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)開關(guān)線性復(fù)合功率變換以獲得互補(bǔ)綜合優(yōu)化性能（特別是其中的抗負(fù)載擾動(dòng)能力）。開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)，結(jié)合了電力電子器件實(shí)現(xiàn)非線性電源與線性功率放大電路的優(yōu)點(diǎn)，克服了非線性電源諧波含量高、線性功率放大電路（如乙類功率放大電路的）交越失真、運(yùn)行極限效率不高等不利因素，使得這種新型功率變換得到了認(rèn)可，符合了大家追求的高保真、綠色、環(huán)保電源變換的要求。4.1.1 slh的性能分析前一節(jié)粗略的介紹了slh的基本原理，接下來將通過理論分析來詳盡的說明本次設(shè)計(jì)為什么采用slh來實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓源。下面我們從它的基本組成電路開始分析。線性級(jí)功率管的耗散功率及效率分析由圖4-3可

31、知，為了使無(wú)功補(bǔ)償裝置具有負(fù)載魯棒性且不向電網(wǎng)注入諧波，在開關(guān)濾波器電路之后增加一級(jí)射（源）極輸出器線性跟隨單元。當(dāng)然,在開關(guān)電路之后增加一級(jí)線性電路必然會(huì)增加整個(gè)電路系統(tǒng)的功率損耗。但是這個(gè)增加的損耗是很小的,因?yàn)殚_關(guān)線性復(fù)合技術(shù)的線性電路與傳統(tǒng)線性功放的不同之處在于它不像b類、ab類功放電路那樣由正負(fù)直流e供電，而是由包絡(luò)于輸出電壓的紋波電壓us供電,功率器件不是工作在大跨度純線性區(qū)域,而是工作于臨界飽和狀態(tài)偏線性一側(cè)的特殊狀態(tài)。開關(guān)電源濾波之后的紋波電壓us是與射(柵)極輸入信號(hào)ui同步的,其幅值只比ui大幾伏,如圖4-2、4-3所示。這樣使得整個(gè)電路既具有線性放大電路才有的基本規(guī)律,又

32、有開關(guān)電路才有的低損耗特性。下面通過理論推導(dǎo)來論證線性級(jí)功率管的耗散功率是很小的。圖4-2 b類功放功率器件的狀態(tài)圖 4-3 slh功率器件的狀態(tài)令功率管漏極的供電電壓為us，柵極的輸入電壓為ui，源極的輸出電壓為uo，漏極供電電壓us總比輸出電壓uo高一個(gè)常值電壓ud。則：=+us總比uo高一個(gè)管飽和通態(tài)壓降ud因?yàn)橥負(fù)錇樵礃O跟隨器，放大倍數(shù)其中g(shù)m為跨導(dǎo)， rl為負(fù)載電阻，因而有由于線性級(jí)功率管的管壓降主要由疊加在純正弦信號(hào)上的紋波電壓構(gòu)成，因此，其耗散功率近似為疊加的紋波電壓與管子流過的電流亦即負(fù)載電流的乘積。 （4-1）其中pt為推挽兩功率管中一個(gè)的耗散功率。設(shè)po為線性級(jí)輸出功率,

33、rl為負(fù)載，則有： （4-2）由式（4-1）可知，功率管的耗散功率由流過它的電流和電壓ud決定。因此只要ud足夠的小，即使功率管流過大電流，功率管的耗散功率也很小。從而在開關(guān)電源的濾波電路后接上這一線性電路是可以接受的。另外 + （4-3）其中ps為前級(jí)開關(guān)濾波電路提供的總功率 （4-4）其中是后級(jí)線性電路的效率。 由式（4-4）中可看出，slh線性部分的效率由輸出電壓uo和功率管供電電壓的疊加分量ud共同決定。當(dāng)ud很小，而uo比較大時(shí)，效率很高。例如令ud=2伏, uo=220伏，則95.2%乙類功放的效率只有78.5%,相比之下，slh的線性部分的效率高了很多。開關(guān)線性復(fù)合電源系統(tǒng)總的效

34、率取決于開關(guān)濾波級(jí)和線性級(jí)的效率積。因此要想整個(gè)系統(tǒng)的總效率不因線性部分的接入而降低，就要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上盡可能提高開關(guān)濾波單元的效率。事實(shí)上，采用高阻輸入低阻輸出的末級(jí)構(gòu)成，足以使電源獲得理想的綜合性能指標(biāo)。因此可以盡量簡(jiǎn)化開關(guān)濾波型電源為提高其性能而曾經(jīng)采取的一些措施。例如：為了減小開關(guān)濾波型電源的thd值而提高開關(guān)頻率的措施，在應(yīng)用了開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)之后，就可以不再采用。這不僅使開關(guān)器件（開關(guān)管、儲(chǔ)能元件等）成本降低，電磁兼容性的制造工藝處理難度降低，而且由于頻率的降低減小了功率器件的開關(guān)損耗，使開關(guān)濾波部分的效率提高。誠(chéng)然，軟開關(guān)技術(shù)能減低開關(guān)損耗，允許功率器件工作在更高頻下，但主電路和控

35、制電路的復(fù)雜化將提高成本，也使系統(tǒng)的可靠性變差。又如，在純開關(guān)濾波電源中為了降低輸出電壓的紋波，要選擇較大的lc濾波參數(shù)，一般按時(shí)間常數(shù)進(jìn)行設(shè)置（為開關(guān)周期）。但在采用了開關(guān)線性復(fù)合技術(shù)后，允許供電的電壓紋波峰峰值約等于功率管的壓降值，也就是允許開關(guān)濾波單元的輸出電壓紋波呈明顯的鋸齒狀。這就沒有必要按濾盡紋波的要求設(shè)計(jì)l、c參數(shù)，也不必?fù)?dān)心在不同占空比和不同負(fù)載下，由于濾波參數(shù)的恒定不變而導(dǎo)致輸出波形thd%的增大。具體設(shè)計(jì)l、c參數(shù)時(shí)不必要求濾波時(shí)間常數(shù)；也就意味著在同等開關(guān)頻率下，開關(guān)濾波單元的效率會(huì)更高。因?yàn)樾∪≈档臒o(wú)源元件在能量交換過程中損耗較小成本也降低，相當(dāng)于將一部分能耗轉(zhuǎn)移給開關(guān)

36、線性復(fù)合系統(tǒng)的線性單元。綜上所述，slh的系統(tǒng)在效率上與不采用slh的系統(tǒng)具有持平的趨勢(shì)，在靜態(tài)性能上可更優(yōu)。slh的動(dòng)態(tài)性能分析slh的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)取決于場(chǎng)控功率器件igbt的動(dòng)態(tài)指標(biāo)和電壓波動(dòng)率。由于輸出電壓uo能瞬時(shí)跟隨前置電壓放大電路的輸出高電壓信號(hào)，具有快速性（微秒級(jí)），且直接受控于參考信號(hào)，即使在大的負(fù)載擾動(dòng)下，有瞬時(shí)的微小電壓跌落，也會(huì)在電壓跟隨原理下，快速得到恢復(fù)。例如，用于kw級(jí)的igbt一般有1000pf到2000pf的等效輸入電容。若忽略體電阻，輸入端等效容抗，如圖4-4所示（圖4-4為考慮輸入容抗時(shí)的線性單元等效電路，為等效輸入電容） （4-5）如果為工頻，則 （4-6

37、）圖 4-4 slh線性部分的輸入阻抗此兆歐級(jí)輸入阻抗應(yīng)對(duì)柵極輸入信號(hào)ui不產(chǎn)生明顯影響，使大電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)不因負(fù)載的加入降低。另外，射級(jí)輸出型電壓跟隨器本身也是一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，它的反饋信號(hào)直接與柵極輸入信號(hào)相串聯(lián)，對(duì)輸出端電壓的調(diào)整只經(jīng)過功率器件柵-源間的內(nèi)部通道，不像其它電源要經(jīng)過多級(jí)延時(shí)傳遞，特別是儲(chǔ)能元件的延時(shí)才能完成突加負(fù)載導(dǎo)致的電壓降落恢復(fù)過程。相比之下，射（源）極輸出型開關(guān)線性復(fù)合功率變換電源，基本上可忽略負(fù)載突變?cè)斐傻妮敵鲭妷簞?dòng)態(tài)波動(dòng)，即使有極小的降落，也能在極短的時(shí)間內(nèi)得到恢復(fù)。當(dāng)然在此基礎(chǔ)上再加一個(gè)低環(huán)路放大倍數(shù)的電壓負(fù)反饋，就會(huì)使系統(tǒng)的輸出電壓波形穩(wěn)定性更好。4.1

38、.2 魯棒性分析魯棒性原是統(tǒng)計(jì)學(xué)中的一個(gè)專門術(shù)語(yǔ)，20世紀(jì)70年代初開始在控制理論的研究中流行起來，用以表征控制系統(tǒng)對(duì)特性或參數(shù)攝動(dòng)的不敏感。對(duì)于開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)的魯棒性主要是指，當(dāng)系統(tǒng)的輸入有波動(dòng)時(shí)，無(wú)論波動(dòng)的大小與否，系統(tǒng)的輸出都基本穩(wěn)定，沒有太大的變化。那么，為什么slh有如此高的魯棒性呢？下面我們從它的基本組成電路開始分析。（1）電源輸出電壓波動(dòng)與負(fù)載阻抗的關(guān)系開關(guān)型濾波電源的輸出端總可等效為圖5所示的戴維南電路。其中，zl為負(fù)載阻抗，zo為輸出端的等效輸出阻抗，為等效的由信號(hào)源控制的受控電壓源。圖 4-5 電源輸出等效電路輸出端（負(fù)載端）的電壓與負(fù)載阻抗zl的關(guān)系為： （4-

39、7）在電源控制信號(hào)不變的情況下， 和zo近似為不變量。輸出電壓隨負(fù)載阻抗zl的變化而波動(dòng)。式（4-7）對(duì)zl求微分，可得：兩邊同除以可得： （4-8）上式說明，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電源輸出電壓的變化率為負(fù)載阻抗變化率的倍。顯然，當(dāng)電源輸出阻抗zo0時(shí)，不論負(fù)載如何變化（包括負(fù)載性質(zhì)改變和負(fù)載突變），輸出電壓將均不會(huì)隨之波動(dòng)，電源系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性。（2）開關(guān)線性復(fù)合功率變換電路的負(fù)載魯棒性分析當(dāng)工作頻率合適時(shí)，圖1所示的基本slh拓?fù)渲泄β使芙Y(jié)電容可近似看作開路（即忽略結(jié)電容效應(yīng)時(shí)），由圖4-8所示，其輸出等效阻抗為：近似為一純電阻。圖 4-6 slh輸出等效電路由于功率管igbt的跨導(dǎo)通常都較大

40、，比如，imbh25120d給出的跨導(dǎo)參數(shù)為gm100，因此，用其構(gòu)成功率緩沖器的輸出阻抗0.01。當(dāng)負(fù)載阻抗|zl| 時(shí)，由式（4-7）知，功率緩沖器輸出電壓幾乎不隨負(fù)載的突變而波動(dòng)，具有很強(qiáng)的魯棒性。當(dāng)功率緩沖器的輸出阻抗（電阻）0.010，即2在這種條件下，各采樣點(diǎn)上得到的信號(hào)完全包含了連續(xù)時(shí)間變量ui(t)的信息。因此只要一個(gè)截止頻率大于的低通濾波器就可以完全恢復(fù)ui(t)的波形，只是其幅值不同。另外，輸出信號(hào)的恢復(fù)只取決于采樣周期t，而與其占空比無(wú)關(guān)。但在t一定的情況下，占空比直接影響輸出電壓幅值的大小。 （4-13）適當(dāng)選擇濾波器參數(shù)，可使輸出電壓幅值為，這樣通過改變占空比，就可以

41、線性的調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的大小而不改變波形，也不影響濾波器的參數(shù)。4.2.2 交流斬波調(diào)壓電路的拓?fù)?按照交流斬波技術(shù)原理，只要在斬波單元之后接一個(gè)低通濾波器就可以得到一個(gè)幅值隨占空比線性變化的電壓波形dui(t)，如圖4-8所示。圖4-8 交流斬波調(diào)壓框圖交流斬波的拓?fù)浞绞街饕衎uck型和boost型，其中buck電路是降壓電路，易滿足0到市電的電壓調(diào)整范圍， boost電路的輸出電壓紋波隨負(fù)載的大小而改變，與后級(jí)線性單元復(fù)合后，降在射極型電壓跟隨器功率管上的紋波峰峰電壓在較大范圍變化，不易控制，會(huì)明顯增加功率管的損耗，而buck電路的輸出電壓紋波系數(shù)則是一個(gè)與負(fù)載無(wú)關(guān)的參數(shù)。因此這里我們采用b

42、uck型交流斬波調(diào)壓電路。為減少功率器件數(shù)量，本方案對(duì)電網(wǎng)電壓波形先整流而得到一種正極性的“饅頭波”。然后斬波得到幅值變化的矩形波。經(jīng)過濾波，得到幅值與占空比成正比的“饅頭波”，由后級(jí)的兩個(gè)功率管子互補(bǔ)導(dǎo)通，經(jīng)推挽變壓器輸出。4.2.3 交流斬波調(diào)壓對(duì)頻率的要求由4.2.1節(jié)對(duì)交流斬波調(diào)壓的分析可知：脈寬電壓濾波后要恢復(fù)原來的輸入電壓，必須符合香農(nóng)定理的要求（2）。也就是說，交流斬波調(diào)壓的開關(guān)頻率必須滿足2（其中為開關(guān)頻率，為工頻）。因此主電路交流斬波調(diào)壓對(duì)開關(guān)頻率的要求為100hz。這一要求是很容易滿足的。4.3 搭建可調(diào)電壓源綜述可以得知，可調(diào)電壓vu需要經(jīng)由電網(wǎng)-交流斬波-線性復(fù)合放大-

43、變壓，最后輸出vu，其原理框圖就如圖4-9所示了：電網(wǎng)交流斬波線性復(fù)合變換耦合變壓器vu圖4-9 可調(diào)電壓源原理框圖由原理框圖可以搭建出電路圖，如下所示：圖4-10 可調(diào)電壓源電路圖可調(diào)電壓源搭建出來后，設(shè)計(jì)的主要部分已經(jīng)全部完成。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的可行性，必須進(jìn)行仿真驗(yàn)證，下章將有所介紹。第5章 仿真與驗(yàn)證5.1 pspice簡(jiǎn)介pspice是由spice發(fā)展而來的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。spice(simulation program with integrated circuit emphasis)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克莉分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。隨后，版本不斷更新，功能

44、不斷增強(qiáng)和完善。1988年spice被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前微機(jī)上廣泛使用的pspice是由美國(guó)microsim公司開發(fā)并于1984年1月首次推出的?，F(xiàn)在的pspice已經(jīng)升級(jí)到了9.2版本。pspice是計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析，就如同對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測(cè)試一樣，這些工作完全由計(jì)算機(jī)來完成。用戶根據(jù)要求來設(shè)置不同的參數(shù)，計(jì)算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、monte carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)

45、效果。以往一個(gè)新產(chǎn)品的研制過程需要經(jīng)過工程估算，試驗(yàn)板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)不合格，再?gòu)恼{(diào)整開始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。這樣往往需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修改。而仿真技術(shù)可將“實(shí)驗(yàn)”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。它的優(yōu)點(diǎn)主要有： (1)為電路設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量的時(shí)間。 (2)節(jié)省了各種儀器設(shè)備。 (3)生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。 (4)產(chǎn)品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場(chǎng)快等。另外，用戶還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡(jiǎn)便的方法。因此，為了驗(yàn)證

46、設(shè)計(jì)的可行性，使用了pspice進(jìn)行了仿真驗(yàn)證【15】。完整的元件原理圖為附錄a。5.2 電路仿真下面是可調(diào)電壓源分部仿真模擬的情況：首先是進(jìn)行電網(wǎng)電壓波形的整流，圖5-1 整流電路元件圖圖5-2 整流后電壓波形由于d1n4002二極管的耐壓值為100v，所以這里選擇的單相交流電壓源v為80v。由圖5-2中可以看出整流后的電壓輸出了很好的“饅頭波”。然后加上占空比為50%的脈沖電壓v11，圖5-3 脈沖電壓元件圖于是輸出了采樣脈沖電壓波形：圖5-4 采樣脈沖電壓波形采樣脈沖電壓波形經(jīng)過lc濾波:圖5-5 lc濾波元件圖圖5-6 lc濾波波形圖至此，完成了交流斬波部分。接著加上slh技術(shù)部分的電

47、路（圖5-7、圖5-8）： 圖5-7 三級(jí)管跟隨放大電路 圖5-8 前置電壓放大電路便獲得了良好的可調(diào)電壓源波形：圖5-9可調(diào)電壓源波形最后帶上感性負(fù)載和電網(wǎng)部分，其原件圖如附錄a所示，仿真后獲得波形圖：圖5-10 仿真波形圖由圖中可以看出，電網(wǎng)電流i(v)已經(jīng)獲得了無(wú)功補(bǔ)償，而不再是滯后電壓v九十度了。因此可以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)是可行的，而功率因素的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)變壓tx的匝數(shù)比以及電容c9的容量（為了方便仿真驗(yàn)證，電容c9設(shè)定為多級(jí)電容補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘?，亦可以用多?jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來展開）來實(shí)現(xiàn)。結(jié)論與展望通過這次基于軟開關(guān)技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯?，?duì)普通容式補(bǔ)償思路進(jìn)行了擴(kuò)展,設(shè)計(jì)出一種補(bǔ)償功率可調(diào)的、無(wú)沖擊

48、電流的并聯(lián)電容式補(bǔ)償方案。本次設(shè)計(jì)中很多方法都是簡(jiǎn)便易行的，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)效益上也有很大的空間，例如：通過使用可調(diào)式電壓源，而讓普通的電容式補(bǔ)償變?yōu)檫B續(xù)可調(diào),使功率因素更接近于“一”；去除了硬開關(guān),避免了開關(guān)頻繁投切的同時(shí)避免了切投時(shí)對(duì)電網(wǎng)與電容的沖擊；使用多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得它比其他的連續(xù)可調(diào)方案更能適應(yīng)各種高低壓負(fù)載。但是由于個(gè)人水平的限制，設(shè)計(jì)仍存在很大不足，例如可調(diào)式電壓源的構(gòu)成。在高壓環(huán)境下，設(shè)計(jì)中的電壓源電路易發(fā)生諧波污染，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響。如果采用完全的電力電子式搭建電壓源的話，幾乎可以完全消除諧波。所以如果有后續(xù)研究如何搭建完全的電力電子式可調(diào)電壓源，并去研究論證的話，相信該

49、方案會(huì)有更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。致 謝本次設(shè)計(jì)論文是在我的導(dǎo)師孟櫻老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，孟老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段時(shí)間，孟老師不僅在學(xué)習(xí)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向孟老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過最后一學(xué)期的各位同學(xué)，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有太多可敬的

50、師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長(zhǎng)大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 作者: 年 月 日參考文獻(xiàn)1 王兆安，楊軍，劉進(jìn)軍諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償m北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19982 王兆安，劉進(jìn)軍，楊君，王躍諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償m北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20053 毛盾，徐清山，權(quán)永軍基于可變電壓源的混合式電網(wǎng)無(wú)功功率連續(xù)補(bǔ)償新方法j吉林：吉林電力，2003，04：32-344 葉凡生電網(wǎng)無(wú)功連續(xù)補(bǔ)償方法及補(bǔ)償裝置p中國(guó)發(fā)利00125031.0.2000-095 許海斌，許敏，周謙之基于開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)的新型無(wú)功補(bǔ)償裝置j甘肅：電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，20

51、04，26(1) : 39-426 李鳳祥諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用j天津：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001，13(5):26-297 李鳳祥諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用j上海：電氣自動(dòng)化，2002，24(1):44-468 周謙之開關(guān)t線性復(fù)合功率變換技術(shù)展望u2第七屆中國(guó)電力電子與傳動(dòng)控制學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，增刊9 周謙之，李定，張捍東開關(guān)線性復(fù)合功率變換技術(shù)機(jī)理和實(shí)效分析j馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)10 姜寧，王春寧，董其國(guó)無(wú)功電壓與優(yōu)化技術(shù)問答m北京：中國(guó)電力出版社，200611 凌志斌，鄧超平，鄭益慧，葉芃生新型連續(xù)無(wú)功調(diào)節(jié)控制器的研制j北京：電工技術(shù)雜志，2003，1(8) : 48-5112 b r lin，t y yangsingle phase half bridge rectifier with power factor correction jieeep rocelectr power app l.2004，