電力電子裝置故障診斷技術(shù)課件

2023/7/201查新報告要求：針對課程中講述的任一種電力電子裝置：1）開關(guān)電源2）逆變器3）UPS

4）直流－直流變流裝置

5）交流－交流變流裝置

6）電力系統(tǒng)用裝置查新最新的研究成果撰寫研究論文一篇，1500字以上。文后附上2篇以上的相關(guān)參考文獻。提交最后時間：2009年4月18日提交紙質(zhì)材料。2023/7/2022.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展1）線性穩(wěn)壓電源2.1高頻開關(guān)電源概述第二章高頻開關(guān)電源線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是比較早使用的一類AC/DC穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。一般來說，線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、參考電壓、取樣電路、誤差放大電路等幾個基本部分組成。另外還可能包括一些例如保護電路，啟動電路等部分。2023/7/203

2.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展

調(diào)整管是穩(wěn)壓電源中的輸出功率管。它在穩(wěn)壓電源電路中相當可調(diào)電阻，隨輸入電壓的波動，由取樣管取樣后隨時調(diào)整該管的導(dǎo)通程度，以達到輸出電壓穩(wěn)定的目的。該管的導(dǎo)通程度不同。調(diào)整管CE間的電壓也不同。輸入電壓高時調(diào)整管CE間的電壓高。輸入電壓低時調(diào)整管CE間的電壓就低。1）線性穩(wěn)壓電源(續(xù))2023/7/2042.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展2）開關(guān)電源2.1高頻開關(guān)電源概述第二章高頻開關(guān)電源

傳統(tǒng)的大功率晶體管上同時有一定的電壓和電流，因此功率損耗比較大。現(xiàn)代AC/DC變換器的電力電子器件工作在開關(guān)模式，功率損耗大大減少，稱為開關(guān)電源。2023/7/205

2.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展

2）開關(guān)電源的優(yōu)缺點優(yōu)點：開關(guān)電源的輸入端直接將交流電整流變成直流電，再在高頻振蕩電路的作用下，用開關(guān)管控制電流的通斷，形成高頻脈沖電流。在電感（高頻變壓器）的幫助下，輸出穩(wěn)定的低壓直流電。由于變壓器的磁芯大小與他的工作頻率的平方成反比，頻率越高鐵心越小。這樣就可以大大減小變壓器，使電源減輕重量和體積。電源的效率比線性電源高很多，節(jié)省了能源。缺點：電路復(fù)雜，維修困難，對電路的污染嚴重。電源噪聲大，不適合用于某些低噪聲電路。

2023/7/206

2.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展

3）開關(guān)電源發(fā)展綜述晶閘管（SCR）于1956年問世，接著以它為核心的派生器件投入市場。進入20世紀80年代，由于電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用相結(jié)合，而向市場推出了高頻化全控功率集成器件。功率MOS管、IGBT、場控晶閘管（MCT）等全控型電子器件，具有較高的效率和工作頻率，從而使開關(guān)電源整機體積變小而重量變輕，達到提高功率密度的目的。目前，高頻開關(guān)電源采用的功率器件通常有：功率MOSFET管、IGBT、功率MOSFET與IGBT混合管、功率集成器件。2023/7/207

2.1.1高頻開關(guān)電源的發(fā)展

4）開關(guān)電源發(fā)展狀況（續(xù)）A）高頻化采用高頻開關(guān)調(diào)制，容易實現(xiàn)功率等級密集化。一般采用10KHz～100KHz的高頻調(diào)制。B）電源電路的模塊化和集成化模塊化：其一是功率期間的模塊化，其二是電源單元的模塊化。C）綠色化其一是節(jié)電；其二是減小對電網(wǎng)及其他電器的污染。2023/7/2082.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

高頻開關(guān)電源主要由輸入環(huán)節(jié)、功率變換電路和控制驅(qū)動保護電路3大部分組成。1.開關(guān)電源的輸入環(huán)節(jié)1）輸入浪涌電流抑制（inrushcurrent）浪涌電流是指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時間象“浪”一樣的高電壓引起的大電流。當某些大容量的電氣設(shè)備接通或斷開時間，由于電網(wǎng)中存在電感，將在電網(wǎng)產(chǎn)生“浪涌電壓”，從而引發(fā)浪涌電流。輸入浪涌電流產(chǎn)生原因：在合閘的瞬間，由于輸入濾波電容的充電，在交流電源端會呈現(xiàn)非常低的阻抗，產(chǎn)生大的浪涌電流。2023/7/209

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

輸入浪涌電流抑制措施：A）限流電阻加開關(guān)，將限流電阻串接于交流線路中或整流橋之后的直流母線上，開關(guān)與限流電阻并聯(lián)，當濾波電容充滿電后，開關(guān)導(dǎo)通，短接電阻；B）采用負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC，此電路不需要開關(guān)。合閘瞬間，NTC阻值很大。NTC流過電流后，溫度上升，阻值迅速減小，既可以限制浪涌電流，又可以保證輸入環(huán)節(jié)在穩(wěn)態(tài)工作時不消耗太大的功率。2023/7/2010

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2）輸入瞬態(tài)電壓（inputtransientvoltage）抑制通常在交流線路間并聯(lián)壓敏電阻或者瞬態(tài)電壓抑制二極管來抑制輸入瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低，允許大電流通過，并將電壓鉗制到預(yù)定水平，應(yīng)用效果相當于穩(wěn)壓管。3）線路濾波器為防止開關(guān)電源和電網(wǎng)相互干擾，應(yīng)該在輸入線路上加入濾波器。4）輸入整流濾波高頻開關(guān)電源輸入不用工頻變壓器，一般采取橋式整流、電容濾波直接對交流電進行整流濾波。2023/7/2011

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路功率變換電路是開關(guān)電源的核心部分。2023/7/2012

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/2013

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/2014

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/2015

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/2016

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/2017

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

推挽式變換器特性：優(yōu)點：1）輸出功率較大，導(dǎo)通期間高頻變壓器原邊兩繞組的總電壓是兩倍輸入電源電壓2Ui，整流電壓幅值為Ui/n。

2）驅(qū)動電路簡單，兩個開關(guān)管的發(fā)射極相連，驅(qū)動電路無需隔離絕緣，從而簡化了驅(qū)動電路。缺點：1）會因磁心飽和出現(xiàn)集電極電流尖峰而導(dǎo)致晶體管損壞。這主要由于兩個開關(guān)管特性不一致，單向偏磁。

2）高頻變壓器利用率差，原邊每個繞組只工作一半時間。

3）對功率開關(guān)管的耐壓要求高。2023/7/2018

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/20192.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

半橋型變換器特性：優(yōu)點：1）高頻利用率高，原邊繞組在正負半周均工作。

2）截止開關(guān)管極間承受的電壓低，等于Ui。

3）抗不平衡能力強。缺點：1）輸出功率小，與輸出電流I0相同的推挽式電路相比，輸出功率小一半。

2）原邊繞組上的電壓是電容C1和C2的端電壓，放電過程中電壓逐漸減小，因此輸出脈沖電壓的頂部呈傾斜狀態(tài)。2023/7/2020

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2.功率變換電路（續(xù)）2023/7/20212.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

全橋型變換器特性：優(yōu)點：1）保持有半橋變換器中開關(guān)管截止時承受電壓低的特點。

2）具有推挽型電路輸出電壓高、輸出功率大的優(yōu)點。因此全橋電路在DC/DC變換器中應(yīng)用較多。缺點：所用功率開關(guān)管較多，驅(qū)動電路復(fù)雜。2023/7/2022

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

3.控制及保護電路開關(guān)電源的主要控制方式為PWM1）PWM電壓控制模式2023/7/2023

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

PWM電壓前饋控制模式2023/7/2024

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

2）PWM峰值電流控制模式主要用于能周期出現(xiàn)電流峰值的電路。電流控制模式是一種固定時鐘開啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。PWM脈沖的開通時刻由振蕩器脈沖決定，關(guān)斷時刻由誤差電壓放大器輸出UE與代表電流峰值的信號Us決定。峰值電流控制模式比電壓控制模式瞬態(tài)響應(yīng)速度快，而且可以限制電路的峰值電流。2023/7/2025

2.1.2高頻開關(guān)電源的基本組成

3）開關(guān)電源的保護開關(guān)電源保護一般有過壓、欠壓、過流、過溫及短路保護。常采用各種檢測電路，一旦超出規(guī)定值，封鎖PWM的脈沖輸出，關(guān)斷功率開關(guān)管，達到保護開關(guān)電源的目的。2023/7/2026

2.2單端反激開關(guān)電源

2.2.1單端反激開關(guān)電源基本關(guān)系式根據(jù)副邊繞組放電時間不同，單端反激電源分為3種工作模式：不連續(xù)、臨界和連續(xù)工作模式。當初級電感大于臨界電感時，電源工作在連續(xù)模式（CCM），當初級電感小于臨界電感時，電源工作在不連續(xù)模式下（DCM）。這種變換器負載不能開路，只適應(yīng)恒定負載或負載變化不大的場合。

2023/7/20272.2.2自激型單端反激開關(guān)電源1.基本原理自激型單端反激開關(guān)電源又稱為RCC電路。這種電路不宜用在負載變化劇烈的場合，因為負載很輕或者空載會使工作頻率很高，設(shè)計復(fù)雜。

正反繞組促進T快速導(dǎo)通、截止2023/7/20282.2.3他激型單端反激開關(guān)電源他激型單端反激開關(guān)電源一般采用專門的PWM集成芯片組成，以固定開關(guān)頻率產(chǎn)生PWM驅(qū)動波形，脈寬控制采用電壓控制模式或電流控制模式，并附加基準電壓、軟啟動、過壓、欠壓、過溫等保護功能?！湫托酒琔C3842。UC3842：UC3842為美國Unitrode公司生產(chǎn)的一種固定頻率電流模式控制器，能夠驅(qū)動功率MOSFET。主要用于100W以下的開關(guān)電源中。2023/7/20292.2.3他激型單端反激開關(guān)電源2023/7/20302.3功率因數(shù)為1的高頻整流器1）基本概念有功功率：電能用于做功被消耗，它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機械能或化學(xué)能等，稱為有功功率；又叫平均功率。交流電的瞬時功率不是一個恒定值，功率在一個周期內(nèi)的平均值叫做有功功率，它是指在電路中電阻部分所消耗的功率，以字母P表示，單位瓦特。

無功功率：具有電感和電容的交流電路中，電感的磁場或電容的電場在一個周期內(nèi)的一部分時間內(nèi)從電源吸收能量，另一部分時間內(nèi)將能量返回電源。在整個周期內(nèi)平均功率為零，沒有能量消耗。但能量是在電源和電感或電容之間來回交換的。能量交換率的最大值叫做無功功率。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。2023/7/20312.3功率因數(shù)為1的高頻整流器1）基本概念（續(xù)）視在功率等于網(wǎng)絡(luò)端鈕處電流、電壓有效值的乘積，而有效值能客觀地反映正弦量的大小和他的做功能力，因此這兩個量的乘積反映了為確保網(wǎng)絡(luò)能正常工作，外電路需傳給網(wǎng)絡(luò)的能量或該網(wǎng)絡(luò)的容量。功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值。功率因數(shù)的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感或電容性負載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。2023/7/20322.3功率因數(shù)為1的高頻整流器2）無源功率因數(shù)校正在電源輸入端加入電感量很大的低頻電感，以便減小濾波電容充電電流的尖峰。此方法比較簡單，但是校正效果不理想，功率因數(shù)一般只能達到0.85左右。另外，大電感的體積很大，增加了設(shè)備的體積和重量，系統(tǒng)成本提高，目前這種方法很少采用。3）有源功率因數(shù)校正（PFC）有源功率因數(shù)校正能使電源的輸入功率提高到接近1。兩種方法：A）采用有源濾波器進行無功和諧波補償，雖然可以很好地改善輸入功率因數(shù)，但是增加了額外的濾波裝置，增加了電路設(shè)計和控制的復(fù)雜度，成本也會提高。（被動）B）采用功率因數(shù)校正電路，直接提高整流電路的輸入功率因數(shù)。（主動）2023/7/20332.3.1非連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正器

——使用峰值電流控制校正芯片6561L內(nèi)部結(jié)構(gòu)2023/7/20342.3.1非連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正器

——使用峰值電流控制系統(tǒng)原理：如果電網(wǎng)電壓降低或負載加大，引起輸出電壓降低，調(diào)節(jié)器輸出端U2會增大，導(dǎo)致乘法器Um增大，使每個開關(guān)周期的占空比增大，輸出電壓回升，直到電壓恢復(fù)到設(shè)定值。2023/7/20352.3.2連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正器

——使用平均電流控制校正芯片UC3