電力操作電源系統(tǒng)

1、2022-3-83l直流穩(wěn)壓電源簡介l高頻開關(guān)電源原理介紹 l高頻開關(guān)電源各部分電路 2022-3-84l線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源 ：交流電源經(jīng)過工頻變壓器變壓、整：交流電源經(jīng)過工頻變壓器變壓、整流、濾波，再經(jīng)過晶體調(diào)整管整定輸出直流電壓。流、濾波，再經(jīng)過晶體調(diào)整管整定輸出直流電壓。l電源存在如下的缺點：變壓器由于工作在工頻頻率，電源存在如下的缺點：變壓器由于工作在工頻頻率，在輸出較大功率時體積大、笨重；在輸出較大功率時體積大、笨重； 晶體調(diào)整管由于晶體調(diào)整管由于工作在放大狀態(tài)，等效于一個可變電阻器。整機的工作在放大狀態(tài)，等效于一個可變電阻器。整機的效率低于效率低于50%50%。2022-3-

2、85l晶閘管可控硅相控電源晶閘管可控硅相控電源 ：交流電源經(jīng)過工頻：交流電源經(jīng)過工頻變壓器變壓隔離，再經(jīng)過晶閘管轉(zhuǎn)換成變壓器變壓隔離，再經(jīng)過晶閘管轉(zhuǎn)換成50Hz50Hz脈沖電壓，再經(jīng)過電抗器及輸出濾波器濾波，脈沖電壓，再經(jīng)過電抗器及輸出濾波器濾波，將輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電壓。將輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電壓。2022-3-86l穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經(jīng)過與基準電壓值在誤差放大器中比量，經(jīng)過與基準電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈沖信號控制晶閘管的較放大之后，輸出脈沖信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，當輸出電壓下降，晶閘管的導(dǎo)通導(dǎo)通角，當輸出電

3、壓下降，晶閘管的導(dǎo)通角增大，晶閘管的導(dǎo)通時間增加，輸出電角增大，晶閘管的導(dǎo)通時間增加，輸出電壓上升；當輸出電壓上升，晶閘管的導(dǎo)通壓上升；當輸出電壓上升，晶閘管的導(dǎo)通角減小，晶閘管的導(dǎo)通時間減小，輸出電角減小，晶閘管的導(dǎo)通時間減小，輸出電壓下降。壓下降。2022-3-87l該穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源比較，晶閘管該穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源比較，晶閘管工作在開通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體工作在開通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體管的功率損耗。但電源變壓器同樣工作在管的功率損耗。但電源變壓器同樣工作在工頻頻率，為了使輸出電壓紋波較小及減工頻頻率，為了使輸出電壓紋波較小及減小導(dǎo)通時的電流沖擊，要求有較大電感量小導(dǎo)

4、通時的電流沖擊，要求有較大電感量的電抗器及較大容量的濾波電容，同樣的的電抗器及較大容量的濾波電容，同樣的在輸出較大功率時，變壓器、電抗器及電在輸出較大功率時，變壓器、電抗器及電容的體積大及笨重，變壓器、電抗器鐵損容的體積大及笨重，變壓器、電抗器鐵損及銅損較大，有溫升散熱、通風(fēng)的問題。及銅損較大，有溫升散熱、通風(fēng)的問題。電源效率只在電源效率只在60%60%80%80%左右。左右。2022-3-88l開關(guān)型穩(wěn)壓電源：交流電源經(jīng)過整流、濾波變成開關(guān)型穩(wěn)壓電源：交流電源經(jīng)過整流、濾波變成直流，再經(jīng)過高頻變壓器及高頻開關(guān)管，將直流直流，再經(jīng)過高頻變壓器及高頻開關(guān)管，將直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖輸出，高頻脈沖信

5、號經(jīng)過快恢電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖輸出，高頻脈沖信號經(jīng)過快恢復(fù)整流管整流、電抗器及輸出濾波器濾波變成穩(wěn)復(fù)整流管整流、電抗器及輸出濾波器濾波變成穩(wěn)定的輸出直流電壓。定的輸出直流電壓。 2022-3-89l其穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，其穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經(jīng)過與經(jīng)過與SMPSMP控制器的基準電壓值在誤差放大器中控制器的基準電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈寬信號控制開關(guān)管的導(dǎo)比較放大之后，輸出脈寬信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，當輸出電壓下降，脈寬展寬，開關(guān)通與截止，當輸出電壓下降，脈寬展寬，開關(guān)管的導(dǎo)通時間增加，輸出電壓上升；當輸出電管的導(dǎo)通時間增加，輸出電壓上升；當

6、輸出電壓上升，脈寬減小，開關(guān)管的導(dǎo)通時間減小，壓上升，脈寬減小，開關(guān)管的導(dǎo)通時間減小，輸出電壓下降。輸出電壓下降。 l該穩(wěn)壓電源與晶體管線性穩(wěn)壓電源比較，開關(guān)該穩(wěn)壓電源與晶體管線性穩(wěn)壓電源比較，開關(guān)管工作在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體管管工作在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體管的功率損耗。電源效率在的功率損耗。電源效率在80%80%94%94%左右。左右。 2022-3-810開關(guān)穩(wěn)壓電源與相控電源比較開關(guān)穩(wěn)壓電源與相控電源比較2022-3-811高頻開關(guān)電源原理高頻開關(guān)電源原理2022-3-812高頻開關(guān)電源原理高頻開關(guān)電源原理主電路主電路 l原邊檢測控制電路：監(jiān)視交流輸入電網(wǎng)原邊檢測控制電

7、路：監(jiān)視交流輸入電網(wǎng)的電壓，實現(xiàn)輸入過壓、欠壓、缺相保的電壓，實現(xiàn)輸入過壓、欠壓、缺相保護功能及軟啟動的控制。護功能及軟啟動的控制。 lEMI輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。波反饋到公共電網(wǎng)。 l軟啟動：消除開機浪涌電流。軟啟動：消除開機浪涌電流。 2022-3-813高頻開關(guān)電源原理高頻開關(guān)電源原理主電路主電路l整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。為較平滑的直流電，以供下一級變換。 l全橋變換：將整流后的直流電變?yōu)?/p>

8、高頻全橋變換：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。越小。 l輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。穩(wěn)定可靠的直流電源。 2022-3-814高頻開關(guān)電源原理高頻開關(guān)電源原理l控制電路：一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)控制電路：一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標準進行比較，然后去控制逆變器，改定標準進行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定，另一方變其頻率或脈寬，達到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)

9、，經(jīng)保護電面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。護措施。l檢測電路檢測電路 ：除了提供保護電路中正在運行：除了提供保護電路中正在運行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。 l輔助電源輔助電源 ：提供所有單一電路的不同要求：提供所有單一電路的不同要求電源。電源。2022-3-815高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路 lEMI濾波電路 抗干擾抗干擾電容電容濾波電容濾波電容2022-3-816高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路l三相整流電路三相整流電路 ：采用一塊三

10、相整流集成電路：采用一塊三相整流集成電路2022-3-817高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路l輸入軟起動輸入軟起動 ：繼電器：繼電器J為常開觸點，合上交流為常開觸點，合上交流輸入時，交流電源經(jīng)整流后通過限流電阻輸入時，交流電源經(jīng)整流后通過限流電阻R對對電容充電，當電容充滿后，控制繼電器電容充電，當電容充滿后，控制繼電器J閉合，閉合，避免大電流對電容的沖擊。避免大電流對電容的沖擊。2022-3-818高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路l輸出直流濾波輸出直流濾波 2022-3-819高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路lDC/DC全橋變換全橋變換 ：高頻開關(guān)管：高頻開

11、關(guān)管A、D和和B、C組成組成橋的兩臂，高頻變壓器橋的兩臂，高頻變壓器T連接在它們中間。通過加連接在它們中間。通過加在在A、 D 和和B、 C兩組開關(guān)管柵極的對稱倒相脈沖兩組開關(guān)管柵極的對稱倒相脈沖實現(xiàn)該兩組組開關(guān)管依次導(dǎo)通或截至，以實現(xiàn)實現(xiàn)該兩組組開關(guān)管依次導(dǎo)通或截至，以實現(xiàn)DC/DC的高頻變換過程。的高頻變換過程。 2022-3-820高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路lDC/DC全橋變換工作過程全橋變換工作過程* *t0tt1t0tt1：t=t0t=t0時，主回路中時，主回路中A A、D D兩管同時導(dǎo)通，兩管同時導(dǎo)通，B B、C C兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源

12、電壓UiUi加在變壓器加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感兩端，通過變壓器加在輸出電感LoLo和負載上，主和負載上，主回路的電流回路的電流ItIt線性增加，電源向負載輸送能量。線性增加，電源向負載輸送能量。* * t1tt2t1tt2：在：在t=t1t=t1時，時，A A、D D兩管同時關(guān)斷，主回兩管同時關(guān)斷，主回路的電流路的電流ItIt迅速減小到零，變壓器兩迅速減小到零，變壓器兩 端的電壓端的電壓VtVt也迅速減小到零，此時靠輸出電感也迅速減小到零，此時靠輸出電感LoLo及電容及電容CoCo的續(xù)流儲能向負載輸送能量。的續(xù)流儲能向負載輸送能量。 2022-3-821* *t2tt3t2tt3

13、：t=t2t=t2時，主回路中時，主回路中B B、C C兩管同時導(dǎo)通，兩管同時導(dǎo)通，A A、D D兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓加在變壓器兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感兩端，通過變壓器加在輸出電感LoLo和負載上，和負載上，主回路的電流主回路的電流ItIt線性增加，電源再次向負載輸線性增加，電源再次向負載輸送能量。送能量。 * *t3tt4t3tt4：在：在t=t3t=t3時，時，B B、C C兩管同時關(guān)斷，主回兩管同時關(guān)斷，主回路的電流路的電流ItIt迅速減小到零，變壓器兩端的電壓迅速減小到零，變壓器兩端的電壓VtVt也迅速減小到零，此時再次靠輸出電感也迅速減小

14、到零，此時再次靠輸出電感LoLo及及電容電容CoCo的續(xù)流儲能向負載輸送能量。的續(xù)流儲能向負載輸送能量。 高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路lDC/DC全橋變換工作過程全橋變換工作過程2022-3-822高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路lDC/DC全橋變換工作過程全橋變換工作過程2022-3-823高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路l脈寬調(diào)制控制器脈寬調(diào)制控制器 ：開關(guān)電源輸出電壓的變開關(guān)電源輸出電壓的變化取決于功率變換電路的開關(guān)管導(dǎo)通時間，化取決于功率變換電路的開關(guān)管導(dǎo)通時間，導(dǎo)通時間越長，則電容兩端電壓升高越多；導(dǎo)通時間越長，則電容兩端電壓升高越多；開關(guān)管關(guān)

15、閉時間越長，則電容兩端電壓降低開關(guān)管關(guān)閉時間越長，則電容兩端電壓降低越多。為了調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓，就必須越多。為了調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓，就必須控制開關(guān)管的柵極驅(qū)動。通過采用脈沖寬度控制開關(guān)管的柵極驅(qū)動。通過采用脈沖寬度調(diào)制方式（調(diào)制方式（PWM方式）來控制開關(guān)電源的輸方式）來控制開關(guān)電源的輸出電壓。如使開關(guān)電源輸出電壓升高，則開出電壓。如使開關(guān)電源輸出電壓升高，則開關(guān)管驅(qū)動的脈沖要加寬，即脈沖寬度固定，關(guān)管驅(qū)動的脈沖要加寬，即脈沖寬度固定，在單位時間內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)增加，保證總的導(dǎo)在單位時間內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)增加，保證總的導(dǎo)通時間加長。反之亦然。通時間加長。反之亦然。2022-3-824高頻開關(guān)電源各

16、部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路2022-3-825高頻開關(guān)電源各部分電路高頻開關(guān)電源各部分電路l脈寬調(diào)制控制器工作原理：開關(guān)電源輸出電脈寬調(diào)制控制器工作原理：開關(guān)電源輸出電壓壓Vo通過電阻分壓，分壓后的電壓為通過電阻分壓，分壓后的電壓為V1，接，接到放大器的負端，放大器的正端接標準穩(wěn)壓到放大器的負端，放大器的正端接標準穩(wěn)壓電源（例如電源（例如LM7805）輸出）輸出Vt，放大器輸出電，放大器輸出電壓為壓為V2，接比較器正端，比較器負端接斜波，接比較器正端，比較器負端接斜波發(fā)生器。斜波發(fā)生器產(chǎn)生一個固定頻率和幅發(fā)生器。斜波發(fā)生器產(chǎn)生一個固定頻率和幅度的斜波，度的斜波，V2與斜波比較后輸出脈沖波形

17、。與斜波比較后輸出脈沖波形。l穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理： *Vo V1 V2 比較器輸出脈寬變窄比較器輸出脈寬變窄Vo ； *Vo V1 V2 比較器輸出脈寬變寬比較器輸出脈寬變寬Vo 。 2022-3-826高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)2022-3-827高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)l在全橋相移在全橋相移ZVZCS的基本原理圖中，與的基本原理圖中，與硬開關(guān)相比，增加了一個飽和電感硬開關(guān)相比，增加了一個飽和電感Ls，省去了全橋臂上的吸收電容，并在主回省去了全橋臂上的吸收電容，并在主回路上增加了一個阻擋電容路上增加了一個阻擋電容Ce。通過相移。通過相移方式控制主回路的有

18、效占空比。阻擋電方式控制主回路的有效占空比。阻擋電容容Ce與飽和電感與飽和電感Ls適當配合，能夠使全適當配合，能夠使全橋被動臂上的主開關(guān)管（橋被動臂上的主開關(guān)管（A、B）達到零）達到零電流開關(guān)（電流開關(guān)（ZCS）的效果，而主動臂上）的效果，而主動臂上的主開關(guān)管（的主開關(guān)管（C、D）仍然處于零電壓開）仍然處于零電壓開關(guān)（關(guān)（ZVS）的狀態(tài)。）的狀態(tài)。 2022-3-828高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)lt0tt1：主回路中：主回路中A，D兩管導(dǎo)通，飽合電感兩管導(dǎo)通，飽合電感Ls處于飽合狀態(tài)，電感量很小，可以認為是短處于飽合狀態(tài)，電感量很小，可以認為是短路狀態(tài)。電源電壓通過變壓器加在

19、輸出電感路狀態(tài)。電源電壓通過變壓器加在輸出電感Lo和負載上，主回路的電流和負載上，主回路的電流Ip線形增加，電源向線形增加，電源向負載輸送能量，電容負載輸送能量，電容Ce的電壓的電壓Vce由負向正逐由負向正逐漸增加。漸增加。 lt1tt2：在：在t=t1時，時，D管關(guān)斷，主回路的電流持管關(guān)斷，主回路的電流持續(xù)，使續(xù)，使C管的電容管的電容Cr放電，最終使放電，最終使C管的電壓管的電壓為零，并通過為零，并通過C管的體二極管續(xù)流，在管的體二極管續(xù)流，在t=t2時時C管零電壓開通。這個過程與全橋相移管零電壓開通。這個過程與全橋相移ZVS的情的情況完全一致。此時電容況完全一致。此時電容Ce上形成的阻擋電

20、壓上形成的阻擋電壓Vce達到最大。達到最大。 2022-3-829高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)lt2tt3：由于：由于Lo的續(xù)流作用，輸出二極的續(xù)流作用，輸出二極管鉗位使變壓器副邊短路，在主回路中管鉗位使變壓器副邊短路，在主回路中只有變壓器的漏感存在，因此阻擋電壓只有變壓器的漏感存在，因此阻擋電壓Vce迅速將主回路的電流迅速將主回路的電流Ip回復(fù)到零，回復(fù)到零，當當Ip回復(fù)到零時，飽合電感回復(fù)到零時，飽合電感Ls退出飽合退出飽合狀態(tài)，呈現(xiàn)出很大的電感量，使狀態(tài)，呈現(xiàn)出很大的電感量，使Ip維持維持在零附近一直到在零附近一直到A管關(guān)斷。管關(guān)斷。 lt3tt4：在：在t=t3時，時，

21、A管零電流關(guān)斷，管零電流關(guān)斷，經(jīng)過一個死區(qū)時間經(jīng)過一個死區(qū)時間B管開通。管開通。 2022-3-830高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源軟開關(guān)技術(shù)軟開關(guān)技術(shù)lt4tt5：B管開通時由于飽合電感管開通時由于飽合電感Ls尚未飽合，尚未飽合，Ip經(jīng)過一定的滯后再迅速上升，電流的滯后使經(jīng)過一定的滯后再迅速上升，電流的滯后使B管的開通損耗大大降低。在管的開通損耗大大降低。在t=t5時時Ip達到輸出電達到輸出電流在主回路的折合值，變壓器副邊出現(xiàn)電壓，電流在主回路的折合值，變壓器副邊出現(xiàn)電壓，電源再次向負載輸送能量，電容源再次向負載輸送能量，電容Ce的電壓的電壓Vce由正由正向負逐漸減小，開始下半個對稱的周期。向負逐漸減小，開始下半個對稱的周期。l可見主動臂上的兩只主管（可見主動臂上的兩只主