第10章電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1第第1010章電力電子技術(shù)的應(yīng)用章電力電子技術(shù)的應(yīng)用 10.1 10.1 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 10.2 10.2 變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng)變頻器和交流調(diào)速系統(tǒng) 10.3 10.3 不間斷電源不間斷電源 10.4 10.4 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源 10.5 10.5 功率因數(shù)校正技術(shù)功率因數(shù)校正技術(shù) 10.6 10.6 電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 10.7 10.7 電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用電力電子技術(shù)的其他應(yīng)用 本章小結(jié)本章小結(jié) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-210.3 不間斷電源不間斷電源（不間斷電源（Uninterru

2、ptible Power Supply UPS）是當(dāng)交流輸入電源）是當(dāng)交流輸入電源（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電（習(xí)慣稱為市電）發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，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。質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響的裝置。廣義地說(shuō)，廣義地說(shuō)，UPS包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸包括輸出為直流和輸出為交流兩種情況，目前通常是指輸出為交流的情況出為交流的情況UPS是是恒壓恒頻（恒壓恒頻（CVCF）電源）電源中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用中的主要產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用于各種對(duì)交流供電可靠性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。于各種對(duì)交流供電可靠

3、性和供電質(zhì)量要求高的場(chǎng)合。 圖圖10-15 UPS基本結(jié)構(gòu)原理圖基本結(jié)構(gòu)原理圖UPS的結(jié)構(gòu)原理的結(jié)構(gòu)原理 圖圖10-15給出了給出了UPS最基本的結(jié)構(gòu)原理最基本的結(jié)構(gòu)原理 基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由基本工作原理是，當(dāng)市電正常時(shí)，由市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電市電供電，當(dāng)市電異常乃至停電時(shí)，由蓄電池向逆變器供電，因此從負(fù)載側(cè)看，供電不池向逆變器供電，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(shí)，負(fù)載也受市電停電的影響；在市電正常時(shí)，負(fù)載也可以由逆變器供電，此時(shí)負(fù)載得到的交流電可以由逆變器供電，此時(shí)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(wèn)壓比市電電壓質(zhì)量高，即

4、使市電發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬題（如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等）時(shí)，也能獲得正常的恒壓恒頻的時(shí)停電等）時(shí)，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，因此也稱為能，因此也稱為穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-310.3 不間斷電源圖圖10-16 具有旁路開(kāi)關(guān)的具有旁路開(kāi)關(guān)的UPS系統(tǒng)系統(tǒng)圖圖10-17 用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的用柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源的UPS為保證市電異常或逆變器故障時(shí)為保證市電異?；蚰孀兤鞴收蠒r(shí)負(fù)載供電的切換，實(shí)際的負(fù)載供電的切換，實(shí)際的UPS產(chǎn)品中產(chǎn)品中

5、多數(shù)都設(shè)置了多數(shù)都設(shè)置了旁路開(kāi)關(guān)旁路開(kāi)關(guān)，如圖，如圖10-16所示，市電與逆變器提供的所示，市電與逆變器提供的CVCF電電源由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)源由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S切換；還需注意的是，切換；還需注意的是，在市電旁路電源與在市電旁路電源與CVCF電源之間切電源之間切換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一換時(shí)，必須保證兩個(gè)電壓的相位一致，通常采用致，通常采用鎖相同步鎖相同步的方法。的方法。在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供在市電斷電時(shí)由于由蓄電池提供電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量電能，供電時(shí)間取決于蓄電池容量的大小，有很大的局限性，為了保的大小，有很大的局限性，為了保證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用證長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電，可采用柴油柴油

6、發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源發(fā)電機(jī)（簡(jiǎn)稱油機(jī)）作為后備電源，如圖如圖10-17所示，蓄電池只需作為市所示，蓄電池只需作為市電與油機(jī)之間的過(guò)渡，容量可以比電與油機(jī)之間的過(guò)渡，容量可以比較小。較小。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-410.3 不間斷電源圖圖10-18 小容量小容量UPS主電路主電路圖圖10-19 大功率大功率UPS主電路主電路 UPS的主電路結(jié)構(gòu)的主電路結(jié)構(gòu) 容量較小的容量較小的UPS主電路主電路 整流部分使用二極管整流整流部分使用二極管整流器和直流斬波器（用作器和直流斬波器（用作PFC），），可獲得較高的可獲得較高的交流輸入功率因數(shù)交流輸入功率因數(shù)。 由于逆變器部分使用由于逆變器部

7、分使用IGBT并采用并采用PWM控制控制，可獲得良好的，可獲得良好的控制性能?？刂菩阅?。 使用使用GTO的大容量的大容量UPS主電主電路路 逆變器部分采用逆變器部分采用PWM控制，控制，具有具有調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)電壓和和改善波形改善波形的功能。的功能。 為減少為減少GTO的開(kāi)關(guān)損耗，的開(kāi)關(guān)損耗，采用采用較低的開(kāi)關(guān)頻率較低的開(kāi)關(guān)頻率。 輸出電壓中所含的最低次輸出電壓中所含的最低次諧波為諧波為11次，從而使交流濾波器次，從而使交流濾波器小型化。小型化。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-510.4 開(kāi)關(guān)電源 10.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu) 10.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式開(kāi)關(guān)電源的控制方式 10.

8、4.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-610.4 開(kāi)關(guān)電源引言在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要在各種電子設(shè)備中，需要多路不同電壓供電，如數(shù)字電路需要5V、3.3V、2.5V等，模擬電路需要等，模擬電路需要12V、15V等，這就需要專門(mén)設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供等，這就需要專門(mén)設(shè)計(jì)電源裝置來(lái)提供這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大這些電壓，通常要求電源裝置能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，還要能夠提供足夠大的電流。的電流。 線性電源和開(kāi)關(guān)電源線性電源和開(kāi)關(guān)電源 圖圖10-20所示為所示為線性電源線性電源，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾

9、波后，先用工頻變壓器降壓，然后經(jīng)過(guò)整流濾波后，由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。由線性調(diào)壓得到穩(wěn)定的輸出電壓。 圖圖10-21所示為所示為開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，先整流濾波、后經(jīng)高頻逆變得到高頻交流電壓，然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。然后由高頻變壓器降壓、再整流濾波。 開(kāi)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)基開(kāi)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。本取代了線型電源，成為電子設(shè)備供電的主要電源形式。 圖圖10-20 線性電源的基本電路結(jié)構(gòu)線性電源的基本電路結(jié)構(gòu) 圖圖1

10、0-21 半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)半橋型開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-710.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-22 開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程開(kāi)關(guān)電源的能量變換過(guò)程交流輸入的開(kāi)關(guān)電源交流輸入的開(kāi)關(guān)電源 交流輸入、直流輸出的開(kāi)關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。交流輸入、直流輸出的開(kāi)關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。 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(kāi)關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正大電容濾波，較為先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源采用有源的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction - PFC)電路。電路。 高頻逆變變

11、壓器高頻整流電路高頻逆變變壓器高頻整流電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。分，具體的電路采用的是隔離型直流直流變流電路。 高性能開(kāi)關(guān)電源中普遍采用了高性能開(kāi)關(guān)電源中普遍采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。 可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)可以采用給高頻變壓器設(shè)計(jì)多個(gè)二次側(cè)繞組多個(gè)二次側(cè)繞組的方法來(lái)實(shí)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔現(xiàn)不同電壓的多組輸出，而且這些不同的輸出之間是相互隔離的，但是僅能選擇離的，但是僅能選擇1路作為輸出電壓反饋，因此也就只有路作為輸出電壓反饋，因此也就只有這這1路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較

12、低，路的電壓的穩(wěn)壓精度較高，其它路的穩(wěn)壓精度都較低，而且其中而且其中1路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。路的負(fù)載變化時(shí)，其它路的電壓也會(huì)跟著變化。 圖圖10-23 多路輸多路輸出的整流電路出的整流電路 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-810.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)直流輸入的開(kāi)關(guān)電源直流輸入的開(kāi)關(guān)電源 也稱為也稱為直流直流變換器直流直流變換器(DC-DC Converter)，分為，分為隔離型隔離型和和非隔離型非隔離型，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、Buck-Boost等電路。等電路。 負(fù)

13、載點(diǎn)穩(wěn)壓器負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器(POL-Point Of the Load regulator) 僅僅為僅僅為1個(gè)專門(mén)的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流個(gè)專門(mén)的元件（通常是一個(gè)大規(guī)模集成電路芯片）供電的直流直流變換器。直流變換器。 計(jì)算機(jī)主板上給計(jì)算機(jī)主板上給CPU和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的和存儲(chǔ)器供電的電源都是典型的POL。 非隔離的直流直流變換器、尤其是非隔離的直流直流變換器、尤其是POL的輸出電壓往往較低，為了提的輸出電壓往往較低，為了提高效率，經(jīng)常采用高效率，經(jīng)常采用同步同步Buck (Sync Buck)電路電路，該電路的結(jié)構(gòu)為，該電路的結(jié)構(gòu)為Buck，但二極，但二極管也采用

14、管也采用MOSFET，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其，利用其低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)來(lái)降低電路中的通態(tài)損耗，其原理類似同步整流電路。原理類似同步整流電路。圖圖10-24 a)同步降壓電路同步降壓電路 圖圖10-24 b)同步升壓電路同步升壓電路 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-910.4.1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)圖圖10-25 通信電源系統(tǒng)通信電源系統(tǒng) 分布式電源系統(tǒng)分布式電源系統(tǒng) 在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)在通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等復(fù)雜的電子裝置中，供電的路數(shù)太多，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(gè)開(kāi)關(guān)電源完總功率太大，難以用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源完成，因此出現(xiàn)了成，因此出現(xiàn)了分

15、布式的電源系統(tǒng)分布式的電源系統(tǒng)。 如圖如圖10-25，一次電源完成交流，一次電源完成交流直流的隔離變換，其輸出連接到直流直流的隔離變換，其輸出連接到直流母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每母線上，直流母線連接到交換機(jī)中每塊電路板，電路板上都有自己的塊電路板，電路板上都有自己的DC-DC變換器，將變換器，將48V轉(zhuǎn)換為電路所需的轉(zhuǎn)換為電路所需的各種電壓；大容量的蓄電池組保證停各種電壓；大容量的蓄電池組保證停電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作電的時(shí)候交換機(jī)還能正常工作 。 一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)一次電源采用多個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)的方案，每個(gè)開(kāi)關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部的方案，每個(gè)開(kāi)關(guān)電源僅僅承擔(dān)一部分功率，并聯(lián)運(yùn)行的

16、每個(gè)開(kāi)關(guān)電源有分功率，并聯(lián)運(yùn)行的每個(gè)開(kāi)關(guān)電源有時(shí)也被成稱為時(shí)也被成稱為“模塊模塊”，當(dāng)其中個(gè)別，當(dāng)其中個(gè)別模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)模塊發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運(yùn)行，這被稱為行，這被稱為“冗余冗余”。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1010.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-26 開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的控制系統(tǒng) 圖圖10-27 電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電流模式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 典型的開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖典型的開(kāi)關(guān)電源控制系統(tǒng)如圖10-26 所示，采用所示，采用反饋控制反饋控制，控，控制器根據(jù)誤差制器根據(jù)誤差e來(lái)調(diào)整控制量來(lái)調(diào)整控制量vc。 電壓模式控制電壓模式控制 圖圖10-26 所

17、示即為電壓模式所示即為電壓模式控制，僅有一個(gè)輸出控制，僅有一個(gè)輸出電壓反饋控電壓反饋控制環(huán)制環(huán)。 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效的控制電路中的電流。電路中的電流。電流模式控制電流模式控制 在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了在電壓反饋環(huán)內(nèi)增加了電流電流反饋控制環(huán)反饋控制環(huán)，電壓控制器的輸出，電壓控制器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)，給這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值這一信號(hào)設(shè)置限幅，就可以限值電路中的最大電流，達(dá)到短路和電路中的最大電流，達(dá)到短路和過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒過(guò)載保護(hù)的目的，還可以實(shí)現(xiàn)恒流控制。流控制。

18、 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1110.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-28 峰值電流模式控制的原理峰值電流模式控制的原理 峰值電流模式控制峰值電流模式控制 峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖峰值電流模式控制系統(tǒng)中電流控制環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖10-28a所示，主要的波形所示，主要的波形如圖如圖10-28b所示。所示。 基本的原理：開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由基本的原理：開(kāi)關(guān)的開(kāi)通由時(shí)鐘時(shí)鐘CLK信號(hào)信號(hào)控制，控制，CLK信號(hào)每隔一定的時(shí)間信號(hào)每隔一定的時(shí)間就使就使RS觸發(fā)器觸發(fā)器置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后置位，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通；開(kāi)關(guān)開(kāi)通后iL上升，當(dāng)上升，當(dāng)iL達(dá)到電流給定值達(dá)到電流給定值iR后，比較器輸出信

19、號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位后，比較器輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，并復(fù)位RS觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷。觸發(fā)器，使開(kāi)關(guān)關(guān)斷。 a)b)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1210.4.2 開(kāi)關(guān)電源的控制方式圖圖10-29 平均電流模式控制的原理平均電流模式控制的原理 a)b) 峰值電流模式控制的不足：該方法控峰值電流模式控制的不足：該方法控制電感電流的峰值，而不是電感電流的制電感電流的峰值，而不是電感電流的平均值，且二者之間的差值隨著平均值，且二者之間的差值隨著M1和和M2的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控的不同而改變，這對(duì)很多需要精確控制電感電流平均值的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不制電感電流平均值的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)是不能允許的；峰值電流模式控制電路中將

20、能允許的；峰值電流模式控制電路中將電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，電感電流直接與電流給定信號(hào)相比較，但電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)但電感電流中通常含有一些開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，容易生的噪聲信號(hào)，容易造成比較器的誤動(dòng)造成比較器的誤動(dòng)作作，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。，使電感電流發(fā)生不規(guī)則的波動(dòng)。平均電流模式控制平均電流模式控制 平均電流模式控制采用平均電流模式控制采用PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器作為作為電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量電流調(diào)節(jié)器，并將調(diào)節(jié)器輸出的控制量uc與鋸齒波信號(hào)與鋸齒波信號(hào)uS相比較，得到周期固相比較，得到周期固定、占空比變化的定、占空比變化的PWM信號(hào)，用以控信號(hào)，用以控制

21、開(kāi)關(guān)的通與斷。制開(kāi)關(guān)的通與斷。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1310.4.3 開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，開(kāi)關(guān)電源廣泛用于各種電子設(shè)備、儀器，以及家電等，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、如臺(tái)式計(jì)算機(jī)和筆記本計(jì)算機(jī)的電源，電視機(jī)、DVD播播放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路放機(jī)的電源，以及家用空調(diào)器、電冰箱的電腦控制電路的電源等，這些電源功率通常僅有幾十的電源等，這些電源功率通常僅有幾十W幾百幾百W；手；手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開(kāi)關(guān)電源，但功率僅有機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備的充電器也是開(kāi)關(guān)電源，但功率僅有幾幾W；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)

22、備的電源也是；通信交換機(jī)、巨型計(jì)算機(jī)等大型設(shè)備的電源也是開(kāi)關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)開(kāi)關(guān)電源，但功率較大，可達(dá)數(shù)kW數(shù)百數(shù)百kW；工業(yè)上；工業(yè)上也大量應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，也大量應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線中，采用各種規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源為其控制電路供電。采用各種規(guī)格的開(kāi)關(guān)電源為其控制電路供電。 開(kāi)關(guān)電源還可以用于蓄電池充電、電火花加工，電鍍、開(kāi)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(guò)程等，功率可達(dá)幾十幾百電解等電化學(xué)過(guò)程等，功率可達(dá)幾十幾百kW；在；在X光光機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高壓、機(jī)、微波發(fā)射機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備中，大量使用的是高

23、壓、小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。小電流輸出的開(kāi)關(guān)電源。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1410.5 功率因數(shù)校正技術(shù) 10.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理功率因數(shù)校正電路的基本原理 10.5.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1510.5 功率因數(shù)校正技術(shù)引言以開(kāi)關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來(lái)一些負(fù)面的以開(kāi)關(guān)電源為代表的各種電力電子裝置帶來(lái)一些負(fù)面的問(wèn)題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)問(wèn)題：輸入電流不是正弦波，就涉及到諧波和功率因數(shù)的問(wèn)題。的問(wèn)題。功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正PFC (Power Factor Correction)技術(shù)即對(duì)技術(shù)即對(duì)

24、電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波電流脈沖的幅度進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波的技術(shù)，分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩的技術(shù)，分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。種。 無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電感、電容等無(wú)源元件和二極管元件，對(duì)電路中的電流脈感、電容等無(wú)源元件和二極管元件，對(duì)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)。沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路對(duì)輸入電流的波

25、形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波。相的正弦波。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-1610.5.1 功率因數(shù)校正電路的基本原理圖圖10-30 典型的單相有源典型的單相有源PFC電路及主要原理波形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單相功率因數(shù)校正電路的基本原理 實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的。 原理原理 給定信號(hào)給定信號(hào) 和實(shí)際的直流電壓和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入比較后送入PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器，得到指令信號(hào)，得到指令信號(hào)id，id和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指

26、令信號(hào)和整流后正弦電壓相乘得到輸入電流的指令信號(hào)i*，該指令信號(hào)和實(shí)際電感，該指令信號(hào)和實(shí)際電感電流信號(hào)比較后，通過(guò)電流信號(hào)比較后，通過(guò)滯環(huán)滯環(huán)對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，便可使輸入直流電流跟蹤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤指令值，這樣交流側(cè)電流波形將近似成為與交流電壓同相的正弦波，跟蹤誤差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。差在由滯環(huán)環(huán)寬所決定的范圍內(nèi)。*du電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-17圖圖10-30 典型的單相有源典型的單相有源PFC電路及主要原理波形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，電在升壓

27、斬波電路中，只要輸入電壓不高于輸出電壓，電感感L的電流就完全受開(kāi)關(guān)的電流就完全受開(kāi)關(guān)S的通斷控制；的通斷控制；S通時(shí)，通時(shí)，iL增長(zhǎng)，增長(zhǎng)，S斷時(shí)，斷時(shí)，iL下降，因此下降，因此控制控制S的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相且與輸入電壓同相，就可以控制，就可以控制iL波形為正弦絕對(duì)值，從波形為正弦絕對(duì)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)為功率因數(shù)為1。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-18圖圖10-31 三相單開(kāi)關(guān)三相單開(kāi)關(guān)PFC電路電路圖圖10-32 三相單開(kāi)關(guān)三相單開(kāi)關(guān)PFC電

28、路的工作波形電路的工作波形三相功率因數(shù)校正電路的基本原理三相功率因數(shù)校正電路的基本原理 電路是工作在電流不連續(xù)模式的電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，升壓斬波電路，LALC的電流在每個(gè)的電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的；電路中的二極管都采用二極管都采用快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管，電路，電路的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。的輸出電壓高于輸入線間電壓峰值。 工作原理工作原理 S開(kāi)通后，電感電流值均從零開(kāi)通后，電感電流值均從零開(kāi)始線性上升（正向或負(fù)向），開(kāi)始線性上升（正向或負(fù)向），S關(guān)關(guān)斷后，三相電感電流通過(guò)斷后，三相電感電流通過(guò)D7向負(fù)載側(cè)向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并

29、迅速下降到零。流動(dòng)，并迅速下降到零。 在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，電感電電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖流是三角形或接近三角形的電流脈沖，其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè)其峰值與輸入電壓成正比；假設(shè)S關(guān)關(guān)斷后電流斷后電流iA下降很快，下降很快，iA的平均值將的平均值將主要取決于陰影部分的面積，這樣主要取決于陰影部分的面積，這樣iA平均值與輸入電壓成正比平均值與輸入電壓成正比，因此輸入，因此輸入電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。電流經(jīng)濾波后將近似為正弦波。 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-19 在分析中略去了電流波形中非陰影部分，因此實(shí)際的電流波形在分析中略去了電流波形中非陰影部分，因此實(shí)際

30、的電流波形 同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開(kāi)關(guān)同正弦波相比有些畸變，如果輸出直流電壓很高，則開(kāi)關(guān)S關(guān)斷關(guān)斷后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則電流波形同正弦波的近似程度高，其波形畸變小。正弦波的近似程度高，其波形畸變小。該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗都很大，因此適用于和開(kāi)關(guān)損耗都很大，因此適用于36kW的中小功率電源中。的中小功率電源中。 圖圖10-31 三相單開(kāi)關(guān)三相單開(kāi)關(guān)PFC電路電路圖圖10-32 三相單開(kāi)關(guān)

31、三相單開(kāi)關(guān)PFC電路的工作波形電路的工作波形電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-20開(kāi)關(guān)電源中采用有源開(kāi)關(guān)電源中采用有源PFC電路帶來(lái)以下好處電路帶來(lái)以下好處 輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。 在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對(duì)線路、開(kāi)關(guān)、連接件等電流容量的要求。對(duì)線路、開(kāi)關(guān)、連接件等電流容量的要求。 由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，能適應(yīng)世界由于有升壓斬波電路，電源允

32、許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，極大的提高電源裝置的可靠性和靈活性。 由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí)使后級(jí)DC-DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。效率。單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡(jiǎn)單，僅有單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡(jiǎn)單，僅有1個(gè)全控開(kāi)關(guān)器件。該個(gè)全控開(kāi)關(guān)器件。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛；三相有源功率電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常

33、廣泛；三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，三相功率因數(shù)校正技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。技術(shù)的仍是研究的熱點(diǎn)。電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)6-21單級(jí)單級(jí)PFC變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開(kāi)關(guān)元變換器拓?fù)涫菍⒐β室驍?shù)校正電路中的開(kāi)關(guān)元件與后級(jí)件與后級(jí)DC-DC變換器中的開(kāi)關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩變換器中的開(kāi)關(guān)元件合并和復(fù)用，將兩部分電路合而為一。部分電路合而為一。單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn)單級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn) 開(kāi)關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。開(kāi)關(guān)器件數(shù)減少，主電路體積及成本可以降低。 控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制控制電路通常只有一個(gè)輸出電壓控制閉環(huán)，簡(jiǎn)化了控制電路。電路。 有些單級(jí)變換器拓