典型电力电子装置介绍

第8章典型电力电子装置介绍

8.1开关电源8.2UPS不间断电源8.3有源功率因数校正器8.1开关电源

8.1.1开关电源的基本工作原理

1．线性稳压电源的工作原理及其特点稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。电子技术课程中所介绍的直流稳压电源一般是线性稳压电源,它的特点是起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区，其原理框图如图8-1所示,由50Hz工频变压器、整流器、滤波器和串联调整稳压器组成。

图8-1线性稳压电源

它的基本工作原理为：工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。图8-1中其余部分是起电压调节，实现稳压作用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压与基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到与基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

这种稳压电源具有优良的纹波及动态响应特性，但同时存在以下缺点：

(1)输入采用50Hz工频变压器，体积庞大。(2)电压调整器件（如图8-1所示的三极管）工作在线性放大区内，损耗大，效率低。(3)过载能力差。

2．开关稳压电源的基本工作原理开关稳压电源简称开关电源，这种电源中，起电压调整，实现稳压控制功能的器件始终以开关方式工作。图8-2所示为输入输出隔离的开关电源原理框图。

图8-2开关电源的基本框图

其主电路的工作原理为：50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压首先经EMI防电磁干扰的电源滤波器滤波（这种滤波器主要滤除电源的高次谐波），直接整流滤波（不经过工频变压器降压，滤波电路主要滤除整流后的低频脉动谐波），获得一直流电压；然后再将此直流电压经变换电路变换为数十或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路，最后输出直流电压。

控制电路的工作原理是：电源接上负载后，通过取样电路获得其输出电压，将此电压与基准电压做比较后，将其误差值放大，用于控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，使输出电压升高（或降低），以获得一稳定的输出电压。

3．开关稳压电源的控制原理

开关电源中，变换电路起着主要的调节稳压作用，这是通过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为T，在一个周期内，导通时间为ton，则占空比定义为D＝ton／t。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种，即脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PWF）。在脉冲宽度控制中，保持开关频率（开关周期T）不变，通过改变ton来改变占空比D，从而达到改变输出电压的目的，即D越大，滤波后输出电压也就越大；D越小，滤波后输出电压越小,如图8-3所示。图8-3PWM控制方式

频率控制制方式中中，保持持导通时时间ton不变，通通过改变变频率（（即开关关周期T）而达到到改变占占空比的的一种控控制方式式。由由于频率率控制方方式的工工作频率率是变化化的，造造成后续续电路滤滤波器的的设计比比较困难难，因此此，目前前绝大部部分的开开关电源源均采用用PWM控制。。4．开关关稳压电电源的特特点开关稳压压电源具具有如下下的优点点：(1)功功耗小小、效效率高。。开关管中中的开关关器件交交替工作作在导通通—截止止—导通通的开关关状态，，转换速速度快，，这使使得功率率损耗小小，电源源的效率率可以大大幅度提提高，可可达90％～95％。。(2)体体积小小、重量量轻。开关电源源效率高高，损耗耗小，可可以省去去较大体体积的散散热器；；用起起隔离作作用的高高频变压压器取代代工频变变压器，，可大大大减小体体积，降降低重量量；因为为开关频频率高，，输出滤滤波电容容的容量量和体积积也可大大为减小小。(3)稳稳压范范围宽。。开关电源源的输出出电压由由占空比比来调节节，输入入电压的的变化可可以通过过占空比比的大小小来补偿偿。这样样，在工工频电网网电压变变化较大大时，它它仍能能保证有有较稳定定的输出出电压。。(4)电电路形形式灵活活多样。。设计者可可以发挥挥各种类类型电路路的特长长，设设计出能能满足不不同应用用场合的的开关电电源。开关电源源的缺点点主要是是存在开开关噪声声干扰。。在开关电电源中，，开关器器件工作作在开关关状态，，它产生生的交流流电压和和电流会会通过电电路中的的其它元元器件产产生尖峰峰干扰和和谐振干干扰，对对这些干干扰如果果不采取取一定的的措施进进行抑制制、消除除和屏蔽蔽，就会会严重影影响整机机正常工工作。此此外，这这些干扰扰还会串串入工频频电网，，使电网网附近的的其它电电子仪器器、设备备和家用用电器受受到干扰扰。因此此，设计计开关电电源时，，必须采采取合理理的措施施来抑制制其本身身产生的的干扰。。8.1.2隔隔离式式高频变变换电路路在开关稳稳压电源源的主电电路中，，调频变变换电路路是核心心部分，，其电电路形式式多种多多样，下下面介绍绍输入输输出隔离离的开关关电源常常用的几几种高频频变换电电路的结结构和工工作原理理。1．正正激式变变换电路路（Forward））所谓正激激式变换换电路，，是指开开关电源源中的变变换器不不仅起着着调节输输出电压压使其稳稳定的作作用，还还作为振振荡器产产生恒定定周期T的方波，，后续续电路中中的脉冲冲变压器器也具有有振荡器器的作用用。该电路的的结构如如图8-4（a）所示示。工频频交流电电源通过过电源滤滤波器、、整流滤滤波器后后转换成成该图中中所示的的直流电电压Ui；V1为功率开开关管，，多为绝绝缘栅双双极型晶晶体管IGBT（其基基极的驱驱动电路路图中未未画出））；TR为高频频变压器器；L和C1组成LC滤波器；；二极管管VD1为半波整整流元件件，VD2为续流二二极管；；RL为负载电电阻；Uo为输出稳稳定的直直流电压压。当当控制电电路使V1导通时，，变压器器原、副副边均有有电压输输出且电电压方向向与图示示参考方方向一致致，所以以二极管管VD1导通，VD2截止，此此时电电源经变变压器耦耦合向负负载传输输能量，，负载上上获得电电压，滤滤波电感感L储能。当控制电电路使V1截止时，，变压器器原、副副边输出出电压为为零。此此时，，变压器器原边在在V1导通时储储存的能能量经过过线圈N3和二极管管VD3反送回电电源。变变压器的的副边由由于输出出电压为为零，所所以二极极管VD1截止，电电感L通过二极极管VD2续流并向向负载释释放能量量，由于于电容C1的滤波作作用，此此时负载载上所获获得的电电压保持持不变，，其输出出电压为为式中k为变压器器的变压压比，D为方波的的占空比比,N1,N2为变压器器原、副副边绕组组的匝数数。由上上式可看看出，输输出电压压Uo仅由电源源电压Ui和占空比比D决定。图8-4正正激变换换电路(a)原原理图图；(b)开开关管管驱动波波形；(c)VF波形2．半半桥变换换电路半桥变换换电路又又可称为为半桥逆逆变电路路，如图图8-5（a））所示。。工频频交流电电源通过过电源滤滤波器、、整流滤滤波器后后转换成成图中所所示的直直流电压压Ui；V1、V2为功率开开关管IGBT；TR为高频频变压器器，L、C3组成LC滤波电路路，二极极管VD3、VD4组成全波波整流元元件。图8-5半半桥变换换电路及及波形(a)电电路；；(b)波波形半桥变换换电路的的工作原原理：两两个输入入电容C1、C2的容量相相同，其其中A点的电压压UA是输入电电压Ui的一半，，即有UC1＝UC2＝Ui／2。开开关管管V1和V2的驱动信信号分别别为ug1和ug2，由控制制电路产产生两个个互为反反相的PWM信信号，如如图8-5（b）所示示。当ug1为高电平平时，ug2为低电平平，V1导通，V2关断。电电容C1两端的电电压通过过VD1施加在高高频变压压器的原原边，此此时uV1＝Ui／2，在在V1和V2共同关断断期间，，原边绕绕组上的的电压为为零，即即uV1＝0。当当ug2为高电平平期间，，V2导通，V1关断，电电容C2两端的电电压施加加在高频频变压器器的原边边，此此时uV1＝-Ui／2。其其波形如如图8-5（b）所示示。可以以看出，，在一个个开关周周期T内，变压压器上的的电压分分别为正正、负负、零零值，这这一点点与正激激变换电电路不同同。为了了防止开开关管V1、V2同时导通通造成电电源短路路，驱动动信号ug1、ug2之间必须须具有一一定的死死区时间间，即二二者同时时为零的的时间。。当uV1＝Ui／2时，变压器副副边所接二极管VD3导通，VD4截止，整流输出电电压的方向与图示示Uo方向相同；当uV1＝-Ui／2时，二极管VD4导通，VD3截止，整流输出电电压的方向也与图图示Uo方向相同；在二极极管VD3、VD4导通期间，电感感L开始储能能。在开关管V1、V2同时截止期间，虽虽然变压器副边电电压为零，但此时时电感L释放能量，又由于于电容C3的作用使输出电压压恒定不变。半桥变换电路的特特点为，在一个开开关周期T内，前半个周期流流过高频变压器的的电流与后半个周周期流过的电流大大小相等，方向相相反，因此，变压压器的磁芯工作在在磁滞回线B—H的两端，磁芯得到到充分利用。在一一个开关管导通时时，处于截止状态态的另一个开关管管所承受的电压与与输入电压相等，，开关管由导通转转为关断的瞬间，，漏感引起的尖峰峰电压被二极管VD1或VD2箝位，因此开关管管所承受的电压绝绝对不会超过输入入电压，二极管VD1、VD2还作为续流二极管管具有续流作用，，施加在高频变变压器上的电压只只是输入电压的一一半。欲得到与下下面将介绍的全桥桥变换电路相同的的输出功率，开关关管必须流过两倍倍的电流，因此半半桥式电路是通过过降压扩流来实现现大功率输出的。。另外，驱动信号号ug1和ug2需要彼此隔离的PWM信号。3．全桥变换电电路将半桥电路中的两两个电解电容C1和C2换成另外两只开关关管，并配上相相应的驱动电路即即可组成图8-6所示的全桥电路路。图8-6全桥桥变换电路驱动信号ug1与ug4相同，ug2与ug3相同，而且ug1、ug4与ug2、ug3互为反相。其工作作原理如下：当ug1与ug4为高电平，ug2与ug3为低电平时，开关关管V1和V4导通，V2和V3关断，电源电压通通过V1和V4施加在高频变压器器的原边，此时变变压器原边电压为为uV1＝Ui。当ug1和ug4为低电平，ug2与ug3为高电平时，开关关管V2和V3导通，V1、V4关断，变压器原边边电压为uV1＝-Ui。与半桥电路相比比，初级绕组上的的电压增加了一倍倍，而每个开关关管的耐压仍为输输入电压。图8-6中变压器器副边所接二极管管VD5、VD6为整流二极管，实实现全波整流。。电感L、电容C组成LC滤波电路，实现对对整流输出电压的的滤波。开关管V1、V2、V3和V4的集电极与发射极极之间反接有箝位位二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些箝位二二极管的作用，当当开关管从导通到到截止时，变压器器初级磁化电流的的能量以及漏感储储能引起的尖峰电电压的最高值不会会超过电源电压Ui，同时还可将磁化化电流的能量反馈馈给电源，从而提提高整机的效率。。全桥变换电路适适用于数百瓦至数数千瓦的开关电源源。除了上上述变换电路外，，常用的隔离型高高频电路还有反激激型变换电路、推推挽型变换电路和和双正激型变换电电路。8.1.3开开关电源的应用图8-7直流流操作电源电路(a)主电路图8-7直流流操作电源电路(b)控制电路路1．交流进线EMI滤波器电磁干扰EMI为为英文ElectroMagneticInterference的缩写。为为了防止开关电源源产生的噪声进入入电网或者防止电电网的噪声进入开开关电源内部，干干扰开关电源的正正常工作，必须在在开关电源的输入入端施加EMI滤滤波器，有时又称称此滤波器为电源源滤波器，用于滤滤除电源输入输出出中的高频噪声（（150kHz～30MHz）。图8-8给给出了一种常用的的高性能EMI滤滤波器，该滤波波器能同时抑制共共模和差模干扰信信号。图8-8交流流进线EMI滤波波器该图中A、N间为为电源的相电压，，G为电源的接地地线。Cc1、Cc2和Lc构成的低通滤波器器用来抑制共模干干扰信号。所谓共共模干扰信号，通通常是指与电源电电压并联且极性相相同的干扰信号。。由于电源干扰信信号的频率远大于于工频50Hz，因此它们通过过电容Cc1、Cc2接入地消除干扰。。其中Lc为磁芯电感，它与与普通电感相比具具有体积小、电感感值大的特点，在在此电路中称为共共模电感，其两组组线圈的匝数相等等，绕向相反。共共模干扰信号的极极性相同，在Lc产生很大的阻抗，，从而抑制共模信信号进入后续整流流电路。对于极性性相反，串接在电电源内的差模干扰扰信号，Lc产生的阻抗为零，，则由Cd1、Ld组成低通滤波器来来抑制干扰信号。。2．启动浪涌抑抑制电路开启电源时，由于于将对滤波电容C1和C2充电，接通电源瞬瞬间电容相当于短短路，因而会产生生很大的浪涌电流流，其大小取决于于启动时的交流电电压的相位和输入入滤波器的阻抗。。抑制启动浪涌电电流最简单的办法法是在整流桥的直直流侧和滤波电容容之间串联具有负负温度系数的热敏敏电阻。启动时电电阻处于冷态，呈呈现较大的电阻，，从而可抑制启动动电流。启动后，，电阻温度升高，，阻值降低，以保保证电源具有较高高的效率。虽然启启动后电阻已较小小，但电阻在电源源工作的过程中仍仍具有一定的损耗耗，降低了电源的的效率，因此，该该方法只适合小功功率电源。对于大功率电路，，将上述热敏电阻阻换成普通电阻，，同时在电阻的两两端并接晶闸管，，电源启动时晶闸闸管关断，由电阻阻限制启动浪涌电电流。滤波电容的的充电过程完成后后，触发晶闸管，，使之导通，从而而既达到了短接电电阻降低损耗的目目的，又可限制启启动浪涌电流。3．输出控制电电路控制电路是开关电电源的核心，它决决定开关电源的动动态稳定性。该开开关电源采用双闭闭环控制方式，如如图8-9所示。。电压环为外环控控制，起着稳定输输出电压的作用。。电流环为内环控控制，起稳定输出出电流的作用。交交流电源经过电源源滤波、整流再次次滤波后得到电压压的给定信号UOG，输出电压经过取取样电路获得一反反馈电压UOF。UOF通过反馈电路送到到给定端与给定信信号UOG比较，误差信号经经PI调节器调节节后形成输出电感感电流的给定信号号IOG。将IOG与电感电流的反馈馈信号IOF比较，其误差信号号经PI调节器调调节后送入PWM控制器SG3525，然后与控控制器内部三角波波比较形成PWM信号,该信号号再通过驱动电路路去驱动变换电路路中的IGBT。。图8-9直流流开关电源控制系系统原理框图如果输出电压因种种种原因在给定电电压没有改变的情情况下有所降低，，即反馈电压UOF小于给定电压UOG，则电压调节器将将误差放大后使输输出电压升高，即即电感电流的给定定IOG增大。电感电流给给定增大又导致电电流调节器的输出出电压增大，使得得PWM信号的占占空比增大，最后后达到增大输出电电压的目的。当输输出电压达到给定定电压所要求的值值时，调节器停止止调节，输出电压压稳定在所要求的的值。4．SG3525的管脚功能SG3525系列列开关电源PWM控制集成电路是是美国硅通用公司司设计的第二代PWM控制器，工工作性能好，外部部元件用量小，适适用于各种开关关电源。图8-10给出了SG3525的内部结结构，其管脚功能能如下：①脚：误差放放大器的反相输入入端；②脚：误差放放大器的同相输入入端；③脚：同步信信号输入端，同同步脉冲的频率应应比振荡器频率fS要低一些；④脚：振荡器输输出；⑤脚：振荡器外外接定时电阻RT端，RT值为2～150kΩ；⑥⑥脚：振荡器外外接电容CT端，振荡器频率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）,R0为⑤脚与⑦脚之间间跨接的电阻，用用来调节死区时间间，定时电容范围围为0.001～～0.1μF；⑦脚：振荡器放放电端，用外接电电阻来控制死区时时间，电阻范围为为0～500ΩΩ；⑧脚：软启动端端，外接软启动电电容，该电容由内内部Uref的50μA恒流流源充电；⑨脚：误差放大大器的输出端；10脚：：PWM信号封锁锁端，当该脚为高高电平时，输出驱驱动脉冲信号被封封锁，该脚主要用用于故障保护；11脚脚：A路驱动信号号输出；12脚：：接地；13脚：：输出集电极电压压；14脚：：B路驱动信号输输出；15脚：：电源，其范围围为8～35V；16脚：：内部＋5V基基准电压输出。图8-10SG3525内部部结构框图5．IGBT驱动动电路驱动电路采用日本本三菱公司生产的的驱动模块M57962L。该该驱动模块为混合合集成电路，将将IGBT的驱动动和过流保护集于于一体，能驱动动电压为600V和1200V系列电流容量量不大于400A的IGBT。。驱动电路的接线线图如图8-11所示。图8-11IGBT驱动电路路8.2.1UPS的分类1．离线式UPS电源该电源的基本结构构如图8-12所所示，它由充电器器、蓄电池组、逆逆变器、交流稳压压器和转换开关等等部分组成。市电电存在时，逆变器器不工作，市电经经交流稳压器稳压压后，通过转换开开关向负载供电，，同时充电器工作作，对蓄电池组充充电；市电掉电时时，逆变器工作作，将蓄电池提供供的直流电压变换换成稳压、稳频的的交流电压，转换换开关同时断开市市电通路，接通逆逆变器，继续向负负载供电。对离离线式UPS电源源，当市电掉电时时，输出有转换时时间。目前市场场上销售的这种电电源均为小功率，，一般在2kVA以下。8.2UPS不间断电源图8-12后后备式UPS的结结构框图这种电源的特点为为：(1)当市电正正常时，只是通过过交流稳压后直接接输出至负载，因因此电路对市电噪噪音以及浪涌的抑抑制能力较差。(2)存在转换换时间。(3)保护性能能较差。(4)结构简单单，体积小，重重量轻，控制制容易，成本低低。2．在线式UPS电源在线式UPS的基基本结构如图8-13所示，它由由整流器、逆变器器、蓄电池组以及及静态转换开关等等部分组成。正常常工作时，市电电经整流器变成直直流后，再经逆逆变器变换成稳压压、稳频的正弦弦波交流电压供给给负载。当市电电掉电时，由蓄电电池组向逆变器供供电，以保证负负载不间断供电。。如果逆变器发生生故障，UPS则通过静态开关关切换到旁路，直直接由市电供电。。故障消失后，UPS又重新切换换到由逆变器向负负载供电。由于在在线式UPS总是是处于稳压、稳频频供电状态，输出出电压动态响应特特性好，波形畸畸变小，因此，其其供电质量明显优优于离线式UPS。目前大多数UPS，特别是是大功率UPS均均为在线式。图8-13在在线式UPS的结结构框图在线式UPS的特特点是：(1)输出的电电压经过UPS处处理，输出电源品品质较高。(2)无转换时时间。(3)结构复杂杂，成本较高。(4)保护性能能好，对市电噪音音以及浪涌的抑制制能力强。3．在线交互式式UPS电源在线交互式UPS的结构框图如图图8-14所示。。它由交流稳压器器、交流开关、逆逆变器、充电器、、蓄电池组和双向向转换器组成。市市电正常时经交流流稳压器后直接输输出给负载。此时时，通过双向转转换器，逆变器工工作在整流状态，，作为充电器向蓄蓄电池组充电。当当市电掉电时，逆逆变器则将电池能能量转换为交流电电输出给负载。图8-14在在线交互式UPS的结构框图在线交互式UPS的特点如下：(1)具有双向向转换器，UPS电池充电间较短短。(2)存在转换换时间。(3)控制结构构复杂，成本较高高。(4)保护性能能介于在线式与离离线式UPS之间间，对市电噪声声和浪涌的抑制能能力较差。对于小功率UPS，整流器一般采采用二极管整流电电路，它的作用是是向逆变器提供直直流电源，蓄电池池充电由专门的充充电器来完成。而而对于中、大大功率UPS，它它的整流器具有双双重功能，在向逆逆变器提供直流电电源的同时还要向向蓄电池进行充电电，因此，整整流器的输出电压压必须是可控的。。中、大功率UPS的整流器一般采采用相控式整流电电路。相控式整流流电路结构简单，，控制技术成熟，，但交流输入功率率因数低并向电网网注入大量的谐波波电流。目前，对对于大容量UPS大多采用12相相或24相整流电电路。因为整流电电路的相数越多，，交流输入功率因因数越高，入电网网的谐波含量也就就越低。除了增加加整流电路的相数数外，还可以通过过在整流器的输入入侧增加有源或无无源滤波器滤去UPS注入电网的的谐波电流。8.2.2UPS的整流器目前，比较先进的的UPS采用PWM整流电路，可可使注入电网的电电流基本接近正弦弦波，且功率因数数接近1，即整流流电路交流侧的电电流、电压的相位位基本同相,这这样大大降低UPS对电网的谐波波污染。现以单相相电路为例，说明明PWM整流电路路的工作原理。图8-15所示是是单相桥式全控整整流电路结构，其其中起整流作用的的开关器件采用全全控器件IGBT。电路的工作原原理为：在交流电电源us的正半周，控制电电路关断V2、V3,而在V1、V4的控制极输入SPWM控制脉冲序序列，则在A、B两点间获得正半半周的SPWM波波形，如图8-16所示。同理,在交流电源us的负半周，控制制电路关断V1、V4,而在V2、V3的控制极输入SPWM控制脉冲序序列，则在A、B两点间获得负半半周的SPWM波波形，通过电容C滤波，在负载上可可获得稳定的直流流电压。调节加在在V1、V2、V3、V4控制极上的脉冲序序列的宽度，即可可调节整流电路输输出直流电压的大大小，实现可控控整流。图8-15单单相全桥PWM整整流电路图8-16单相相全桥PWM整流流电路波形可见，在PWM整整流电路的交流端端A、B之间产生生了一个正弦波调调制的电压uAB，uAB中除了含有与电源源同频率的基波分分量外，还含有与与开关频率有关的的高次谐波。图8-15中在整流流电路的交流侧串串有电感Ls，它的作用就是将将交流侧电流中的的高次谐波滤除，，使交流侧电流is产生很小的脉动。。如果忽略这些脉脉动成分，is为频率与电源电压压us频率相同的的正弦波。。在在交流流电源电压压us一定时，is的幅值和相相位由uAB中基波分量量的幅值及及其与us的相位差决决定，改变变uAB中基波分量量的值和相相位即改变变加在V1、V2、V3、V4控制极上SPWM脉脉冲序列的的幅值和相相位，就可可使电源电电流is与电压us相位相同，，从而使整整流电路交交流侧的输输入功率因因数为1，，彻底解决决UPS电电力电子装装置造成的的电网谐波波污染的问问题。图8-17给出了如如何实现电电源电流is与电压us同相位的控控制系统结结构示意图图。该控制制系统为双双闭环控制制系统。电电压环为外外环，其作作用是调节节和稳定整整流输出电电压。电流流环为内环环，其作用用是使整流流电路交流流侧的电流流is与电压us相位相同。。图8-17电流流电压同相相位控制系系统结构图图该图中电压压给定控制制信号为直直流电压U*d，调节U*d可以调节PWM调制制波的幅值值，即可调调节PWM控制脉宽宽，使整流流输出电压压增大或减减小。Ud为整流输出出的实际电电压的反馈馈信号，如如果整流输输出电压与与给定控制制信号所希希望的电压压值相同，，即Ud=U*d，则图中中比例积分分调节器PI不起调调节作用，，整流输出出电压Ud保持不变。。在U*d不变的情况况下，因为为其它原因因使实际输输出电压Ud与希望电压压值不相等等时，U*d与反馈的实实际电压信信号Ud相比较后，，可使控制制电路输出出的PWM脉冲宽度度根据误差差值（Ud大于或小于于U*d）增大或减减小，从而而使输出电电压增大或或减小，使使输出电压压稳定在希希望值。图中直流输输出电压给给定信号和和实际的直直流电压反反馈信号比比较后送入入比例积分分PI调节节器，PI电压调节节器的输出出即为整流流器交流输输入电流的的幅值Im，这是一直直流信号，，它的大小小反应了整整流输出电电压的实际际值与希望望值之间的的差异。它它与标准的的正弦波相相乘后形成成交流输入入电流的给给定信号i*s。标准的正正弦波就是是与电源电电压us同相位的电电压信号，，当它与信信号Im相乘后，只只增加或减减小其幅值值，而不会会改变它的的相位，即即i*s的相位始终终与电源电电压us的相位相同同，其幅值值则随着PI调节的的差值而变变化。这个个幅值的变变化就是后后续PWM控制电路路的电压幅幅值变化的的控制信号号。因此此，可以根根据实际输输出的电压压来调节PWM的脉脉宽，使输输出电压达达到希望值值。图中is为整流电路路交流侧实实际电流的的反馈信号号，当这个个电流与给给定电流的的相位相同同时，图中中比例调节节器K不起作用，，PWM控制信号号保持不变变；当反馈馈电流信号号is与电源电压压us相位有差异异时，即is与i*s有相位差时时，调节器器K起调节作用用，它可以以调节后续续比较器电电路，从而而调整PWM脉冲的的相位，直直到反馈信信号is与给定信号号i*s的相位相同同而止，这这样就达到到了整流电电路交流侧侧电流、电电压同相相位的目的的。正弦波输出出的UPS通常采用用SPWM逆变器，，这是一种种抑制谐波波分量的最最有效的方方法，有单单相输出，，也有三相相输出。下下面以单相相桥式脉宽宽调制逆变变器为例，，说明它它的基本工工作原理。。如图8-18所所示，对于于小功率的的UPS，，电路中的的开关器件件一般采用用MOSFET管；；而对于大大功率的UPS，则则采用IGBT管管。8.2.3UPS中的的逆变器图8-18UPS单相逆逆变电路图8-18中，V1、V2和V3、V4不能同时导导通，否否则将使输输入直流电电源短路，，这个电路路只在V1、V4和V2、V3间交替导通通与关断，，负载上才才有连续的的交流矩形形波。如如果在输出出电压的半半个周期内内V1和V4导通和关断断许多次，，在另外半半个周期内内V2和V3也导通和关关断同样的的次数，并并且在每半半周内开关关器件的导导通时间按按正弦规律律变化，那那么输出波波形如图8-19所所示。这种种波的基波波分量按正正弦规律变变化，而谐谐波成分最最小。当需需要调节逆逆变器输出出电压时，，控制每个个矩形波均均按某一比比例加宽或或减窄，则则可实现现对输出电电压的调节节。图8-19UPS单相逆变变电路输出出波形为了滤去开开关频率噪噪声，输出出采用LC滤波电路，，因为开关关频率较高高，一般大大于20kHz，，因此采用用较小的LC滤波器便能能滤去开关关频率噪声声。输出隔隔离变压器器实现逆变变器与负载载之间的隔隔离，避免免了它们之之间电路上上的直接联联系，从而而减少了干干扰。另另外，为了了节约成本本，绝大多多数UPS利用隔离离变压器的的漏感来充充当输出滤滤波电感，，从而可可省去图8-18中中的电感L。逆逆变器是是UPS的的核心部分分，这不仅仅由它的功功能所决定定，也可从从它的控制制电路的复复杂程度看看出来。逆逆变器的主主电路目前前已比较完完善，但但是逆变器器的控制电电路却千变变万化，差差别很大。。一般而而言，UPS电源逆逆变器的控控制电路除除了与整流流电路一样样，通过过电压闭环环控制实现现输出电压压的自动调调节和自动动稳压外，，还要实实现相位跟跟踪。图图8-20中所示的的电压给定定信号U*d、电压反馈馈信号uF、PI调节节器即可完完成这项功功能。图8-20UPS逆变控控制系统结结构框图在线式UPS中，有有时要求变变频器输出出的电压与与市电电压压保持同频频、同相、、同幅度，，即变频器器的输出必必须跟踪市市电的变化化，这就需需要锁相技技术。锁相就是利利用两个信信号的相位位差，通过过转换装置置形成控制制信号，以以强迫两个个信号相位位同步的一一种自动控控制系统，，称为锁相相环或环路路。基本的锁相相环路由鉴鉴相器、低低通滤波器器和压控振振荡器组成成,如图图8-21所示。鉴鉴相器也叫叫相位比较较器，它将将周期性变变化的输入入信号的相相位（从市市电或本机机振荡获得得）与反馈馈信号的相相位（从压压控振荡器器的输出获获得）进行行比较，产产生对应于于与两信号号相位差成成正比的直直流误差电电压信号u(t)，该信号号可以调整整压控振荡荡器的频率率，以达达到与输入入信号同步步的目的。。8.2.4UPS中的锁锁相技术图8-21基本本锁相环路路的方框图图低通滤波器器用来滤除除鉴相器输输出电压中中的高频分分量和噪声声，只有有直流分量量才对压控控振荡器起起控制作用用。为了提提高系统的的动态特性性即改善动动态跟踪性性，在低通通滤波器之之后加一个个由比例积积分放大器器组成的调调节器可改改善捕捉过过程中的调调节性能。。压控振荡器器是一个由由电压来控控制振荡频频率的器件件，振荡器器在未加控控制电压时时的振荡频频率称为固固有振荡频频率，用ω0表示。当当振荡器的的瞬时频率率ωv与输入信号号的频率ωi不相同时，，由于电压压的相位值值是频率变变化值的积积分，因而而频率的变变化会引起起电压相位位差的变化化，而有相相位差的变变化就有误误差电压产产生，该误误差电压经经低通滤波波器去控制制压控振荡荡器的输出出频率，使使其朝着输输入频率的的方向变化化，使二者者同步。所谓静态开开关，是一一种以双向向晶闸管为为基础构成成的无触点点通断组件件。图8-22(a)所示为为光电双向向晶闸管耦耦合器的非非零电压开开关，输入入端1、2加输入信信号时，光光电双向晶晶闸管耦合合器B导通通，门极由由R2、B形成通通路触发双双向晶闸管管。这种电电路相对于于输入信号号的交流电电源的任意意相位均可可同步接通通，称为非非零电压开开关。8.2.5UPS中的静静态开关图8-22(b)所所示为光电电晶闸管耦耦合的零电电压开关，，1、2端端加输入信信号，V1管截止，即即光控晶闸闸管门极不不短接时，，耦合器B中的光控控晶闸管导导通，电流流经整流桥桥和导通的的光控晶闸闸管一起为为双向晶闸闸管V提供供门极电流流，使V导导通。由R3、R2、V1组成零电压压开关电路路，适当地地选择R3、R2的参数，使使当电源电电压过零并并升至一定定幅值时V1导通，光控控晶闸管被被关断，这这时双向晶晶闸管截止止。为了进一步步提高UPS电源的的可靠性，，在线式UPS均装装有静态开开关，将市市电作为UPS的后后备电源，，在UPS发生故障障或维护检检修时，无无间断地将将负载切换换到市电上上，由市电电直接供电电。静态态开关的主主电路比较较简单，一一般由两只只晶闸管或或一只双向向晶闸管组组成，单单相输出UPS的静静态开关如如图8-23所示。。图8-22两种种静态开关关(a)非非零电压开开关(a)零零电压开关关图8-23单相输输出UPS静态开关关原理图静态开关的的切换有两两种方式：：同步切换换和非同步步切换。在在同步切切换方式中中，为了保保证在切换换过程中供供电不间断断，静态开开关的切换换为先通后后断。假设设负载由逆逆变器供电电，由于某某种故障，，例如蓄电电池电压太太低，需要要由逆变器器供电转向向旁路市电电供电，切切换时首首先触发静静态开关2，使之导导通，然后后再封锁静静态开关1的触发脉脉冲。由由于晶闸管管导通以后后，即使除除去触发脉脉冲，它它仍然保持持导通，只只有等到下下半个周期期到来时，，使其承承受反压，，才能将其其关断，因因此，存存在静态开开关1和2同时导通通的现象，，此时市电电和逆变器器同时向负负载供电。。为了防止止环流的产产生，逆变变器输出电电压必须与与市电同频频、同相、、同幅度。。这就要求求在切换的的过程中，，逆变器必必须跟踪市市电的频率率、相位和和幅值，即即上面所所说的锁相相，否则则，环流会会使逆变器器烧坏。绝大部分在在线式UPS除了具具有同步方方式外，还还具有非同同步切换方方式。当需需要切换时时，如果UPS的逆逆变器输出出电压不能能跟踪市电电，则采采用非同步步切换方式式，即先断断后通切换换方式，首首先封锁正正在导通的的静态开关关触发脉冲冲，延迟一一段时间，，待导通通的静态开开关关断后后，再触触发另外一一路静态开开关。很明明显，非非同步切换换方式会造造成负载短短时间断电电。8.3.1有源源电力滤波波器和有源源功率因数数校正消除电力系系统的谐波波有无源技技术和有源源技术两种种办法。无无源技术是是指在电路路中接入LC网络，这种种技术只能能对某些特特定的谐波波进行抑制制和基波移移相补偿。。这种方法法最早用于于电力系统统，其电电路体积和和质量都很很大。随着着电力电子子技术的发发展，人们们又提出了了两种对策策：一种是是在电网的的公用负载载端并接一一个专用的的功率变换换器，对对无功及谐谐波电流进进行补偿，，这就是是有源滤波波器，如图图8-24所示。它它能将电网网电流补偿偿成为与电电网电压同同相的正弦弦电流。另另一种是在在负载即电电力电子装装置本身的的整流器和和滤波电容容之间增加加一个功率率变换电路路，这就是是有源功率率因数校正正。它能将将整流器的的输入电流流校正成与与电网电压压同相位的的正弦波，，消除了谐谐波和无功功电流，将将电网功率率因数提高高到近似为为1，其原原理框图如如图8-25所示。。8.3有有源功率率因数校正正器图8-24有源源滤波器图8-25APFC的基本本原理框图图图8-26(a)是是传统的整整流滤波电电路，整流流二极管只只有在输入入电压ui大于负载电电压uo时才导通。。也就是说说，只有在在电容C充电期期间才有电电网的输入入电流ii,该电流流为峰值很很高的脉冲冲电流，如如图8-26(b)所示。。由于输输入电流存存在波形畸畸变因而会会导致功率率因数下降降并产生高高次谐波分分量，污污染电网。。8.3.2畸畸变电流的产产生与APFC的基本原理图8-26传传统整流电路路及波形图(a)整流滤滤波电路；(b)波形图图采用有源功率因因数校正技术是是解决上述问题题的有效途径。。APFC技术术的基本思想是是将输入交流电电进行全波整流流，在整流电电路与滤波电容容之间加入DC/DC变换电电路，通过适当当控制使输入电电流的波形自动动跟随输入电压压的波形，即使使整流器的输出出电流跟随它输输出的直流脉动动电压波形且要要保持储能电容容电压稳定，从从而实现稳压输输出和单位功率率因数输入，其其原理如图8-27所示。从从原理框图来看看，这就是一种种开关电源，但但它与传统的开开关电源不同，，DC/DC变变换电路之前没没有滤波电容，，电压是全波整整流器输出的半半波正弦脉动电电压，而不像开开关电源那样是是方波。这个个正弦半波脉动动直流电压和整整流器的输出电电流与输出的负负载电压都受到到实时检测与监监控，控制结果果是使全波整流流器的输入功率率因数近似为1。图8-27APFC基本本电路APFC的电路路结构有双级式式和单级式两种种，如图8-28所示。双双级式电路是由由Boost转转换器和DC/DC变换器级级联而成的，中中间直流母线电电压一般都稳定定在400V。前级的Boost电路路实现功率因数数校正，后级的的DC/DC变变换器实现隔离离和降压。其优优点是每级电路路可单独分析、、设计和控制，，特别适合作为为分布式电源系系统的前置级。。单级式APFC电路集功率率因数校正和输输出隔离、电电压稳定于一体体，结构简单，，效率高，但分分析和控制复杂杂，适用于单单一集中式电源源系统。8.3.3有有源功率因数数校正的电路结结构图8-28有有源功率因数数校正电路结构构(a)双级式式；(b)单单级式有源功率因数校校正技术的思路路是，控制已整整流后的电流，，使之在对滤滤波大电容充电电之前能与整流流后的电压波形形相同，从而而避免形成电流流脉冲，达到改改善功率因数的的目的。有源功功率因数校正电电路原理如图8-29所示，，主电路是一一个全波整流器器，实现AC/DC的变换，，电压波形不会会失真；在滤波波电容C之前是一个Boost变换器器，实现升压式式DC/DC变变换。从控制回回路来看，它它由一个电压外外环和一个电流流内环构成。在在工作过程中，，升压电感L1中的电流受到连连续的监控和调调节，使之能跟跟随整流后正弦弦半波电压波形形。8.3.4有有源功率因数数校正的控制图8-29有有源功率因数数校正电路原理理整流器输出电压压ud、升压变换器输输出电容电压uC与给定电压U*c的差值都同时作作为乘法器的输输入，构成电压压外环,而乘乘法器的输出就就是电流环的给给定电流I*s。升压变换器输出出电容电压uC与给定电压U*c作比较的目的是是判断输出电压压是否与给定电电压相同，如果果不相同，可以以通过