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

频率率控控制制方方式式中中，，保保持持导导通通时时间间ton不变变，，通通过过改改变变频频率率（（即即开开关关周周期期T）而达达到到改改变变占占空空比比的的一一种种控控制制方方式式。。由由于于频频率率控控制制方方式式的的工工作作频频率率是是变变化化的的，，造造成成后后续续电电路路滤滤波波器器的的设设计计比较较困困难难，，因因此此，，目目前前绝绝大大部部分分的的开开关关电电源源均均采采用用PWM控制制。。4．开开关关稳稳压压电电源源的的特特点点开关关稳稳压压电电源源具具有有如如下下的的优优点点：：(1)功耗小小、效效率率高。。开关管管中的的开关关器件件交替替工作作在导导通—截止—导通的的开关关状态态，转转换速速度快快，这这使使得功功率损损耗小小，电电源的的效率率可以以大幅幅度提提高，，可达达90％～95％。(2)体积小小、重重量轻轻。开关电电源效效率高高，损损耗小小，可可以省省去较较大体体积的的散热热器；；用用起隔隔离作作用的的高频频变压压器取取代工工频变变压器器，可可大大大减小小体积积，降降低重重量；；因为为开关关频率率高，，输出出滤波波电容容的容容量和和体积也可可大为为减小小。(3)稳压范范围宽宽。开关电电源的的输出出电压压由占占空比比来调调节，，输入入电压压的变变化可可以通通过占占空比比的大大小来来补偿偿。这这样，，在工工频电电网电电压变变化较较大时时，它它仍仍能保保证有有较稳稳定的的输出出电压压。(4)电路形形式灵灵活多多样。。设计者者可以以发挥挥各种种类型型电路路的特特长，，设设计出出能满满足不不同应应用场场合的的开关关电源源。开关电电源的的缺点点主要要是存存在开开关噪噪声干干扰。。在开关关电源源中，，开关关器件件工作作在开开关状状态，，它产产生的的交流流电压压和电电流会会通过过电路路中的的其它它元器器件产产生尖尖峰干干扰和和谐振振干扰扰，对对这些些干扰扰如果果不采采取一一定的的措施施进行行抑制制、消消除和和屏蔽蔽，就就会严严重影影响整整机正正常工工作。。此外外，这这些干干扰还还会串串入工工频电电网，，使电电网附附近的的其它它电子子仪器器、设设备和和家用用电器器受到到干扰扰。因因此，，设计计开关关电源源时，，必须须采取取合理理的措措施来来抑制制其本身产产生的的干扰扰。8.1.2隔离式式高频频变换换电路路在开关关稳压压电源源的主主电路路中，，调频频变换换电路路是核核心部部分，，其其电路路形式式多种种多样样，下下面介介绍输输入输输出隔隔离的的开关关电源源常用用的几几种高高频变变换电电路的的结构构和工工作原原理。。1．正激式式变换换电路路（Forward）所谓正正激式式变换换电路路，是是指开开关电电源中中的变变换器器不仅仅起着着调节节输出出电压压使其其稳定定的作作用，，还作作为振振荡器器产生生恒定定周期期T的方波波，后后续续电路路中的的脉冲冲变压压器也也具有有振荡荡器的的作用。该电路路的结结构如如图8-4（a）所示。。工频频交流流电源源通过过电源源滤波波器、、整流流滤波波器后后转换换成该该图中中所示示的直直流电电压Ui；V1为功率率开关关管，，多为为绝缘缘栅双双极型型晶体体管IGBT（其基极极的驱驱动电电路图图中未未画出出）；；TR为高频频变压压器；；L和C1组成LC滤波器器；二二极管管VD1为半波波整流流元件件，VD2为续流流二极极管；；RL为负载载电阻阻；Uo为输出出稳定定的直直流电电压。。当当控控制电电路使使V1导通时时，变变压器器原、、副边边均有有电压压输出出且电电压方方向与与图示示参考考方向向一致致，所所以二二极管管VD1导通，，VD2截止，，此此时电电源经经变压压器耦耦合向向负载载传输输能量量，负负载上上获得电电压，，滤波波电感感L储能。。当控制制电路路使V1截止时时，变变压器器原、、副边边输出出电压压为零零。此此时时，变变压器器原边边在V1导通时时储存存的能能量经经过线线圈N3和二极极管VD3反送回回电源源。变变压器器的副副边由由于输输出电电压为为零，，所以以二极极管VD1截止，，电感感L通过二二极管管VD2续流并并向负负载释释放能能量，，由于于电容容C1的滤波作用用，此此时负负载上上所获获得的的电压压保持持不变变，其其输出出电压压为式中k为变压压器的的变压压比，，D为方波波的占占空比比,N1,N2为变压压器原原、副副边绕绕组的的匝数数。由上上式可可看出出，输输出电电压Uo仅由电电源电电压Ui和占空空比D决定。。图8-4正激变变换电电路(a)原理图图；(b)开关管管驱动动波形形；(c)VF波形2．半半桥变变换电电路半桥变变换电电路又又可称称为半半桥逆逆变电电路，，如图图8-5（a）所示。。工工频交交流电电源通通过电电源滤滤波器器、整整流滤滤波器器后转转换成成图中中所示示的直直流电电压Ui；V1、V2为功率率开关关管IGBT；TR为高频频变压压器，，L、C3组成LC滤波电电路，，二极极管VD3、VD4组成全全波整流元元件。。图8-5半桥变变换电电路及及波形形(a)电路；；(b)波形半桥变变换电电路的的工作作原理理：两两个输输入电电容C1、C2的容量量相同同，其其中中A点的电电压UA是输入入电压压Ui的一半半，即即有UC1＝UC2＝Ui／2。开关管管V1和V2的驱动动信号号分别别为ug1和ug2，由控制制电路路产生生两个个互为为反相相的PWM信号，，如图图8-5（b）所示。。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。其波形如如图8-5（b）所示。可可以看出出，在一一个开关关周期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，变压压器副边边所接二二极管VD3导通，VD4截止，整整流输出出电压的的方向与与图示Uo方向相同同；当uV1＝-Ui／2时，二极极管VD4导通，VD3截止，整整流输出出电压的的方向也也与图示示Uo方向相同同；在二二极管VD3、VD4导通期间间，电电感L开始储能能。在开开关管V1、V2同时截止止期间，，虽然变变压器副副边电压压为零，，但此时时电感L释放能量量，又由由于电容容C3的作用使使输出电压恒定定不变。。半桥变换换电路的的特点为为，在一一个开关关周期T内，前半半个周期期流过高高频变压压器的电电流与后后半个周周期流过过的电流流大小相相等，方方向相反反，因此此，变压压器的磁磁芯工作作在磁滞滞回线B—H的两端，，磁芯得得到充分分利用。。在一个个开关管管导通时时，处于于截止状状态的另另一个开开关管所所承受的的电压与与输入电电压相等等，开关关管由导导通转为为关断的的瞬间，，漏感引引起的尖尖峰电压压被二极极管VD1或VD2箝位，因因此开关关管所承承受的电电压绝对对不会超超过输入入电压，，二极管管VD1、VD2还作为续续流二极极管具有有续流作作用，施施加在在高频变变压器上上的电压压只是输输入电压压的一半半。欲得得到与下下面将介介绍的全全桥变换换电路相相同的输输出功率率，开关关管必须须流过两两倍的电电流，因因此半桥桥式电路路是通过过降压扩扩流来实实现大功功率输出出的。另另外，驱驱动信号号ug1和ug2需要彼此此隔离的的PWM信号。3．全桥桥变换电电路将半桥电电路中的的两个电电解电容容C1和C2换成另外外两只开开关管，，并配配上相应应的驱动电路即即可组成成图8-6所示的全全桥电路路。图8-6全桥变换换电路驱动信号号ug1与ug4相同，ug2与ug3相同，而而且ug1、ug4与ug2、ug3互为反相相。其工工作原理理如下：：当ug1与ug4为高电平平，ug2与ug3为低电平平时，开开关管V1和V4导通，V2和V3关断，电电源电压压通过V1和V4施加在高高频变压压器的原原边，此此时变压压器原边边电压为为uV1＝Ui。当ug1和ug4为低电平平，ug2与ug3为高电平平时，开开关管V2和V3导通，V1、V4关断，变变压器原原边电压压为uV1＝-Ui。与半桥电电路相比比，初级级绕组上上的电压压增加了了一倍，，而每每个开关关管的耐耐压仍为为输入电电压。图8-6中变压器器副边所所接二极极管VD5、VD6为整流二二极管，，实现现全波整整流。电电感L、电容C组成LC滤波电路路，实现现对整流流输出电电压的滤滤波。开关管V1、V2、V3和V4的集电极极与发射射极之间间反接有有箝位二二极管VD1、VD2、VD3和VD4，由于这些些箝位二二极管的的作用，，当开关关管从导导通到截截止时，，变压器器初级磁磁化电流流的能量量以及漏漏感储能能引起的的尖峰电电压的最最高值不不会超过过电源电电压Ui，同时还可可将磁化化电流的的能量反反馈给电电源，从从而提高高整机的的效率。。全桥变变换电路路适用于于数百瓦瓦至数千千瓦的开开关电源源。除了了上述变变换电路路外，常常用的隔隔离型高高频电路路还有反反激型变变换电路路、推挽挽型变换换电路和和双正激型变变换电路路。8.1.3开关电源源的应用用图8-7直流操作作电源电电路(a)主电路图8-7直流操作作电源电电路(b)控制电路路1．交流进进线EMI滤波器电磁干扰EMI为英文ElectroMagneticInterference的缩写。为为了防止开开关电源产产生的噪声声进入电网网或者防止止电网的噪噪声进入开开关电源内内部，干扰扰开关电源源的正常工工作，必须须在开关电电源的输入入端施加EMI滤波器，有有时又称此此滤波器为为电源滤波波器，用于于滤除电源源输入输出出中的高频频噪声（150kHz～30MHz）。图8-8给出了一种种常用的高高性能EMI滤波器，该滤波波器能同时时抑制共模模和差模干干扰信号。。图8-8交流进线EMI滤波器该图中A、N间为电源的的相电压，，G为电源的接接地线。Cc1、Cc2和Lc构成的低通通滤波器用用来抑制共共模干扰信信号。所谓谓共模干扰扰信号，通通常是指与与电源电压压并联且极极性相同的的干扰信号号。由于电电源干扰信信号的频率率远大于工工频50Hz，因此它们通通过电容Cc1、Cc2接入地消除除干扰。其中Lc为磁芯电感感，它与普普通电感相相比具有体体积小、电电感值大的的特点，在在此电路中中称为共模模电感，其其两组线圈圈的匝数相相等，绕向向相反。共共模干扰信信号的极性性相同，在在Lc产生很大的的阻抗，从从而抑制共共模信号进进入后续整整流电路。。对于极性性相反，串串接在电源源内的差模模干扰信号号，Lc产生的阻抗抗为零，则则由Cd1、Ld组成低通滤波器来抑抑制干扰信信号。2．启动浪浪涌抑制电电路开启电源时时，由于将将对滤波电电容C1和C2充电，接通通电源瞬间间电容相当当于短路，，因而会产产生很大的的浪涌电流流，其大小小取决于启启动时的交交流电压的的相位和输输入滤波器器的阻抗。。抑制启动动浪涌电流流最简单的的办法是在在整流桥的的直流侧和和滤波电容容之间串联联具有负温温度系数的的热敏电阻阻。启动时时电阻处于于冷态，呈呈现较大的的电阻，从从而可抑制制启动电流流。启动后后，电阻温温度升高，，阻值降低低，以保证证电源具有有较高的效效率。虽然然启动后电电阻已较小小，但电阻阻在电源工工作的过程程中仍具有有一定的损损耗，降低低了电源的的效率，因因此，该方方法只适合合小功率电电源。对于大功率率电路，将将上述热敏敏电阻换成成普通电阻阻，同时在在电阻的两两端并接晶晶闸管，电电源启动时时晶闸管关关断，由电电阻限制启启动浪涌电电流。滤波波电容的充充电过程完完成后，触触发晶闸管管，使之导通通，从而既既达到了短短接电阻降降低损耗的的目的，又又可限制启启动浪涌电电流。3．输出控控制电路控制电路是是开关电源源的核心，，它决定开开关电源的的动态稳定定性。该开开关电源采采用双闭环环控制方式式，如图8-9所示。电压压环为外环环控制，起起着稳定输输出电压的的作用。电电流环为内内环控制，，起稳定输输出电流的的作用。交交流电源经经过电源滤滤波、整流流再次滤波波后得到电电压的给定定信号UOG，输出电压经经过取样电电路获得一一反馈电压压UOF。UOF通过反馈电电路送到给给定端与给给定信号UOG比较，误差差信号经PI调节器调节节后形成输输出电感电电流的给定定信号IOG。将IOG与电感电流流的反馈信信号IOF比较，其误误差信号经经PI调节器调节节后送入PWM控制器SG3525，然后与控制器内部部三角波比比较形成PWM信号,该信号再通通过驱动电电路去驱动动变换电路路中的IGBT。图8-9直流开关电电源控制系系统原理框框图如果输出电电压因种种种原因在给给定电压没没有改变的的情况下有有所降低，，即反馈电电压UOF小于给定电电压UOG，则电压调节节器将误差差放大后使使输出电压压升高，即即电感电流流的给定IOG增大。电感感电流给定定增大又导导致电流调调节器的输输出电压增增大，使得得PWM信号的占空空比增大，，最后达到到增大输出出电压的目目的。当输输出电压达达到给定电电压所要求求的值时，，调节器停停止调节，，输出电压稳定在所所要求的值值。4．SG3525的管脚功能能SG3525系列开关电电源PWM控制集成电电路是美国国硅通用公公司设计的的第二代PWM控制器，工工作性能好好，外部元元件用量小小，适用用于各种开开关电源。。图8-10给出了SG3525的内部结构构，其管脚脚功能如下下：①脚：误误差放大大器的反相相输入端；；②脚：误误差放大大器的同相相输入端；；③脚：同同步信号号输入端，，同步脉脉冲的频率率应比振荡荡器频率fS要低一些；；④脚：振振荡器输出出；⑤脚：振振荡器外接接定时电阻阻RT端，RT值为2～150kΩ；⑥⑥脚：振荡器器外接电容容CT端，振荡器器频率fs＝1／CT（0.7RT+3R0）,R0为⑤脚与⑦⑦脚之间跨跨接的电阻阻，用来调调节死区时时间，定时时电容范围围为0.001～0.1μμF；⑦脚：：振振荡荡器器放放电电端端，，用用外外接接电电阻阻来来控控制制死死区区时时间间，，电电阻阻范范围围为为0～500ΩΩ；⑧脚：：软软启启动动端端，，外外接接软软启启动动电电容容，，该该电电容容由由内内部部Uref的50μμA恒流流源源充充电；；⑨脚脚：：误误差差放放大大器器的的输输出出端端；；10脚：：PWM信号号封封锁锁端端，，当当该该脚脚为为高高电电平平时时，，输输出出驱驱动动脉脉冲冲信信号号被被封封锁锁，，该该脚脚主主要要用用于于故故障障保保护护；；11脚：：A路驱驱动动信信号号输输出出；；12脚：：接接地地；；13脚：：输输出出集集电电极极电电压压；；14脚：：B路驱驱动动信信号号输输出出；；15脚：：电电源源，，其其范范围围为为8～35V；16脚：：内内部部＋＋5V基准准电电压压输输出出。。图8-10SG3525内部部结结构构框框图图5．IGBT驱动动电电路路驱动动电电路路采采用用日日本本三三菱菱公公司司生生产产的的驱驱动动模模块块M57962L。该驱驱动动模模块块为为混混合合集集成成电电路路，，将将IGBT的驱驱动动和和过过流流保保护护集集于于一一体体，，能能驱驱动动电电压压为为600V和1200V系列列电电流流容容量量不不大大于于400A的IGBT。驱动动电电路路的的接接线线图图如如图图8-11所示示。。图8-11IGBT驱动电路8.2.1UPS的分类1．离线式UPS电源该电源的基本本结构如图8-12所示，它由充充电器、蓄电电池组、逆变变器、交流稳稳压器和转换换开关等部分分组成。市电电存在时，逆逆变器不工作作，市电经交交流稳压器稳稳压后，通过过转换开关向向负载供电，，同时充电器器工作，对蓄蓄电池组充电电；市电掉电电时，逆变变器工作，将将蓄电池提供供的直流电压压变换成稳压压、稳频的交交流电压，转转换开关同时时断开市电通通路，接通逆逆变器，继续续向负载供电电。对离线线式UPS电源，当市电电掉电时，输输出有转换时时间。目前前市场上销售售的这种电源源均为小功率，，一般在2kVA以下。8.2UPS不间断电源图8-12后备式UPS的结构框图这种电源的特特点为：(1)当市电正常时时，只是通过过交流稳压后后直接输出至至负载，因此此电路对市电电噪音以及浪浪涌的抑制能能力较差。(2)存在转换时间间。(3)保护性能较差差。(4)结构简单，体体积小，重重量轻，控控制容易，，成本低。。2．在线式UPS电源在线式UPS的基本结构如如图8-13所示，它由整整流器、逆变变器、蓄电池池组以及静态态转换开关等等部分组成。。正常工作时时，市电经经整流器变成成直流后，再再经逆变器器变换成稳压压、稳频的的正弦波交流流电压供给负负载。当市市电掉电时，，由蓄电池组组向逆变器供供电，以保保证负载不间间断供电。如如果逆变器发发生故障，UPS则通过静态开开关切换到旁旁路，直接由由市电供电。。故障消失后后，UPS又重新切换到到由逆变器向向负载供电。。由于在线式式UPS总是处于稳压压、稳频供电电状态，输出出电压动态响响应特性好，，波形畸变变小，因此，，其供电质量量明显优于离离线式UPS。目前大多数UPS，特别是大功率率UPS均为在线式。。图8-13在线式UPS的结构框图在线式UPS的特点是：(1)输出的电压经经过UPS处理，输出电电源品质较高高。(2)无转换时间。。(3)结构复杂，成成本较高。(4)保护性能好，，对市电噪音音以及浪涌的的抑制能力强强。3．在线交互互式UPS电源在线交互式UPS的结构框图如如图8-14所示。它由交交流稳压器、、交流开关、、逆变器、充充电器、蓄电电池组和双向向转换器组成成。市电正常常时经交流稳稳压器后直接接输出给负载载。此时，通通过双向转转换器，逆变变器工作在整整流状态，作作为充电器向向蓄电池组充充电。当市电电掉电时，逆逆变器则将电池能量量转换为交流流电输出给负负载。图8-14在线交互式UPS的结构框图在线交互式UPS的特点如下：：(1)具有双向转换换器，UPS电池充电间较较短。(2)存在转换时间间。(3)控制结构复杂杂，成本较高高。(4)保护性能介于于在线式与离离线式UPS之间，对市市电噪声和浪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整流电路，它它的作用是向向逆变器提供供直流电源，，蓄电池充电电由专门的充充电器来完成成。而对于于中、大功功率UPS，它的整流器具具有双重功能能，在向逆变变器提供直流流电源的同时时还要向蓄电电池进行充电电，因此，，整流器的的输出电压必必须是可控的的。中、大功率UPS的整流器一般般采用相控式式整流电路。。相控式整流流电路结构简简单，控制技技术成熟，但但交流输入功功率因数低并并向电网注入入大量的谐波波电流。目前前，对于大容容量UPS大多采用12相或24相整流电路。。因为整流电电路的相数越越多，交流输输入功率因数数越高，入电电网的谐波含含量也就越低低。除了增加加整流电路的的相数外，还还可以通过在在整流器的输输入侧增加有有源或无源滤波波器滤滤去UPS注入电电网的的谐波波电流流。8.2.2UPS的整流流器目前，，比较较先进进的UPS采用PWM整流电电路，，可使使注入入电网网的电电流基基本接接近正正弦波波，且且功率率因数数接近近1，即整整流电电路交交流侧侧的电电流、、电压压的相相位基基本同同相,这样大大大降降低UPS对电网网的谐波污污染。。现以以单相相电路路为例例，说说明PWM整流电电路的的工作作原理理。图8-15所示是是单相相桥式式全控控整流流电路路结构构，其其中起起整流流作用用的开开关器器件采采用全全控器器件IGBT。电路的的工作作原理理为：：在交交流电电源us的正半半周，，控制制电路路关断断V2、V3,而在V1、V4的控制制极输输入SPWM控制脉脉冲序序列，，则在在A、B两点间间获得得正半半周的的SPWM波形，，如图图8-16所示。。同理理,在交流流电源源us的负半半周，，控控制电电路关关断V1、V4,而在V2、V3的控制制极输输入SPWM控制脉冲序序列，则在在A、B两点间获得得负半周的的SPWM波形，通过过电容C滤波，在负负载上可获获得稳定的的直流电压压。调节加加在V1、V2、V3、V4控制极上的的脉冲序列列的宽度，，即可调节节整流电路输出直直流电压的的大小，实实现可控控整流。图8-15单相全桥PWM整流电路图8-16单相全桥PWM整流电路波波形可见，在PWM整流电路的的交流端A、B之间产生了了一个正弦弦波调制的的电压uAB，uAB中除了含有有与电源同同频率的基基波分量外外，还含有有与开关频频率有关的的高次谐波波。图8-15中在整流电电路的交流流侧串有电电感Ls，它的作用就就是将交流流侧电流中中的高次谐谐波滤除，，使交流侧侧电流is产生很小的的脉动。如如果忽略这这些脉动成成分，is为频率与电电源电压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入功功率因数为为1，彻底解决决UPS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给出了如何何实现电源源电流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，其作用是是使整流电电路交流侧侧的电流is与电压us相位相同。。图8-17电流电压同同相位控制制系统结构构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调制波的幅幅值，即可可调节PWM控制脉宽，，使整流输输出电压增增大或减小小。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，则图中比例例积分调节节器PI不起调节作作用，整流流输出电压压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脉冲宽度根根据误差值值（Ud大于或小于于U*d）增大或减小小，从而使使输出电压压增大或减小小，使输出出电压稳定定在希望值值。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调节器，PI电压调节器器的输出即即为整流器器交流输入入电流的幅幅值Im，这是一直流流信号，它它的大小反反应了整流流输出电压压的实际值值与希望值值之间的差差异。它与与标准的正正弦波相乘乘后形成交交流输入电电流的给定定信号i*s。标准的正弦弦波就是与与电源电压压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调节的差值值而变化。。这个幅值值的变化就就是后续PWM控制电路的的电压幅值值变化的控控制信号。因此此，可以根根据实际输输出的电压压来调节PWM的脉宽，使使输出电压压达到希望望值。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控制信号保保持不变；；当反馈电电流信号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脉冲的相位位，直到反反馈信号is与给定信号号i*s的相位相同同而止，这这样就达到了了整流电路路交流侧电电流、电电压同相位位的目的。。正弦波输出出的UPS通常采用SPWM逆变器，这这是一种抑抑制谐波分分量的最有有效的方法法，有单相相输出，也也有三相输输出。下面面以单相桥桥式脉宽调调制逆变器器为例，说说明它的的基本工作作原理。如如图8-18所示，对对于小功功率的UPS，电路中的的开关器器件一般般采用MOSFET管；而对对于大功率的UPS，则采用IGBT管。8.2.3UPS中的逆变变器图8-18UPS单相逆变变电路图8-18中，V1、V2和V3、V4不能同时时导通，，否则则将使输输入直流流电源短短路，这这个电路路只在V1、V4和V2、V3间交替导导通与关关断，负负载上才才有连续续的交流流矩形波波。如如果在输输出电压压的半个个周期内内V1和V4导通和关关断许多多次，在在另外半半个周期期内V2和V3也导通和和关断同同样的次次数，并并且在每每半周内内开关器器件的导导通时间间按正弦弦规律变变化，那那么输出出波形如如图8-19所示。这这种波的的基波分分量按正正弦规律律变化，，而谐波波成分最最小。当当需要调调节逆变变器输出出电压时时，控制制每个矩矩形波均均按某一比例加加宽或减减窄，则则可实实现对输输出电压压的调节节。图8-19UPS单相逆变变电路输输出波形形为了滤去去开关频频率噪声声，输出出采用LC滤波电路路，因为为开关频频率较高高，一般般大于20kHz，因此采用用较小的的LC滤波器便便能滤去去开关频频率噪声声。输出出隔离变变压器实实现逆变变器与负负载之间间的隔离离，避免免了它们们之间电电路上的的直接联联系，从从而减少少了干扰扰。另另外，为为了节约约成本，，绝大多多数UPS利用隔离离变压器器的漏感感来充当当输出滤滤波电感感，从从而可省省去图8-18中的电感感L。逆变器是是UPS的核心部部分，这这不仅由由它的功功能所决决定，也也可从它它的控制制电路的的复杂程程度看出出来。逆逆变器的的主电路路目前已已比较完完善，但但是逆逆变器的的控制电电路却千千变万化化，差别别很大。。一般般而言，，UPS电源逆变变器的控控制电路路除了与与整流电电路一样样，通通过电压压闭环控控制实现现输出电电压的自自动调节节和自动动稳压外外，还还要实现现相位跟跟踪。图图8-20中所示的的电压给给定信号号U*d、电压反馈馈信号uF、PI调节器即即可完成成这项功功能。图8-20UPS逆变控制制系统结结构框图图在线式UPS中，有时时要求变变频器输输出的电电压与市市电电压压保持同同频、同同相、同同幅度，，即变频频器的输输出必须须跟踪市市电的变变化，这这就需要要锁相技技术。锁相就是是利用两两个信号号的相位位差，通通过转换换装置形形成控制制信号，，以强迫迫两个信信号相位位同步的的一种自自动控制制系统，，称为锁锁相环或或环路。。基本的锁锁相环路路由鉴相相器、低低通滤波波器和压压控振荡荡器组成成,如图8-21所示。鉴鉴相器也也叫相位位比较器器，它将将周期性性变化的的输入信信号的相相位（从从市电或或本机振振荡获得得）与反反馈信号号的相位位（从压压控振荡荡器的输输出获得得）进行行比较，，产生对对应于与与两信号号相位差差成正比比的直流流误差电电压信号u(t)，该信号可可以调整整压控振振荡器的的频率，，以达达到与输输入信号号同步的的目的。。8.2.4UPS中的锁相相技术图8-21基本锁相相环路的的方框图图低通滤波波器用来来滤除鉴鉴相器输输出电压压中的高高频分量量和噪声声，只只有直流流分量才才对压控控振荡器器起控制制作用。。为了提提高系统统的动态态特性即即改善动动态跟踪踪性，在在低通滤滤波器之之后加一一个由比比例积分分放大器器组成的的调节器器可改善善捕捉过过程中的的调节性性能。压控振荡器是是一个由电压压来控制振荡荡频率的器件件，振荡器在在未加控制电电压时的振荡荡频率称为固固有振荡频率率，用ω0表示。当振振荡器的瞬时时频率ωv与输入信号的的频率ωi不相同时，由由于电压的相相位值是频率率变化值的积积分，因而频频率的变化会会引起电压相相位差的变化化，而有相位位差的变化就就有误差电压压产生，该误误差电压经低低通滤波器去去控制压控振振荡器的输出出频率，使其其朝着输入频率率的方向变化化，使二者同同步。所谓静态开关关，是一种以以双向晶闸管管为基础构成成的无触点通通断组件。图图8-22(a)所示为光电双双向晶闸管耦耦合器的非零零电压开关，，输入端1、2加输入信号时时，光电双向向晶闸管耦合合器B导通，门极由由R2、B形成通路触发发双向晶闸管管。这种电路路相对于输入入信号的交流流电源的任意意相位均可同步步接通，称为为非零电压开开关。8.2.5UPS中的静态开关关图8-22(b)所示为光电晶晶闸管耦合的的零电压开关关，1、2端加输入信号号，V1管截止，即光光控晶闸管门门极不短接时时，耦合器B中的光控晶闸闸管导通，电电流经整流桥桥和导通的光光控晶闸管一一起为双向晶晶闸管V提供门极电流流，使V导通。由R3、R2、V1组成零电压开开关电路，适适当地选择R3、R2的参数，使当当电源电压过过零并升至一一定幅值时V1导通，光控晶晶闸管被关断断，这时双向向晶闸管截止止。为了进一步提提高UPS电源的可靠性性，在线式UPS均装有静态开开关，将市电电作为UPS的后备电源，，在UPS发生故障或维维护检修时，，无间断地将将负载切换到到市电上，由由市电直接供供电。静态态开关的主电电路比较简单单，一般由两两只晶闸管或或一只双向晶晶闸管组成，，单相输出出UPS的静态开关如图8-23所示。图8-22两种静态开关关(a)非零电压开关关(a)零电压开关图8-23单相输出UPS静态开关原理理图静态开关的切切换有两种方方式：同步切切换和非同步步切换。在在同步切换方方式中，为了了保证在切换换过程中供电电不间断，静静态开关的切切换为先通后后断。假设负负载由逆变器器供电，由于于某种故障，，例如蓄电池池电压太低，，需要由逆变变器供电转向向旁路市电供供电，切换换时首先触发发静态开关2，使之导通，，然后再封锁锁静态开关1的触发脉冲。。由于晶闸闸管导通以后后，即使除去去触发脉冲，，它仍然保保持导通，只只有等到下半半个周期到来来时，使其其承受反压，，才能将其关关断，因此此，存在静态态开关1和2同时导通的现现象，此时市市电和逆变器器同时向负载载供电。为了了防止环流的的产生，逆变变器输出电压压必须与市电电同频、同相相、同幅度。。这就要求在在切换的过程程中，逆变器器必须跟踪市市电的频率、、相位和幅值值，即上面面所说的锁相相，否则，，环流会使逆逆变器烧坏。绝大部分在线线式UPS除了具有同步步方式外，还还具有非同步步切换方式。。当需要切换换时，如果UPS的逆变器输出出电压不能跟跟踪市电，则则采用非同同步切换方式式，即先断后后通切换方式式，首先封锁锁正在导通的的静态开关触触发脉冲，延延迟一段时间间，待导通通的静态开关关关断后，再再触发另外一路路静态开关。。很明显，非非同步切换换方式会造成成负载短时间间断电。8.3.1有源电力滤波波器和有源功功率因数校正正消除电力系统统的谐波有无无源技术和有有源技术两种种办法。无源源技术是指在在电路中接入入LC网络，这种技技术只能对某某些特定的谐谐波进行抑制制和基波移相相补偿。这种种方法最早用用于电力系统统，其电路路体积和质量量都很大。随随着电力电子子技术的发展展，人们又提提出了两种对对策：一种是是在电网的公公用负载端并并接一个专用用的功率变换换器，对无无功及谐波电电流进行补偿偿，这就是是有源滤波器器，如图8-24所示。它能能将电网电电流补偿成成为与电网网电压同相相的正弦电电流。另一一种是在负负载即电力力电子装置置本身的整整流器和滤滤波电容之之间增加一一个功率变变换电路，，这就是有有源功率因因数校正。。它能将整整流器的输输入电流校校正成与电电网电压同同相位的正正弦波，消消除了谐波波和无功电电流，将电电网功率因因数提高到近近似为1，其原理框框图如图8-25所示。8.3有源功率因因数校正器器图8-24有源滤波器器图8-25APFC的基本原理理框图图8-26(a)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充电期间才才有电网的的输入电流流ii,该电流为峰峰值很高的的脉冲电流流，如图图8-26(b)所示。由由于输入电电流存在波波形畸变因因而会导致致功率因数数下降并产产生高次谐波分分量，污污染电网。。8.3.2畸变电流的的产生与APFC的基本原理理图8-26传统整流电电路及波形形图(a)整流滤波电电路；(b)波形图采用有源功功率因数校校正技术是是解决上述述问题的有有效途径。。APFC技术的基本本思想是将将输入交流流电进行全全波整流，，在整流流电路与滤滤波电容之之间加入DC/DC变换电路，，通过适当当控制使输输入电流的的波形自动动跟随输入入电压的波波形，即使使整流器的的输出电流流跟随它输输出的直流流脉动电压压波形且要要保持储能能电容电压压稳定，从从而实现稳稳压输出和和单位功率率因数输入入，其原理理如图8-27所示。从原原理框图来来看，这就就是一种开开关电源，，但它与传传统的开关关电源不同同，DC/DC变换电路之之前没有滤滤波电容，，电压是全全波整流器器输出的半半波正弦脉脉动电压，，而不像开开关电源那那样是方波波。这个个正弦半波波脉动直流流电压和整整流器的输输出电流与与输出的负负载电压都都受到实时时检测与监监控，控制结果是是使全波整整流器的输输入功率因因数近似为为1。图8-27APFC基本电路APFC的电路结构构有双级式式和单级式式两种，如如图8-28所示。双双级式电路路是由Boost转换器和DC/DC变换器级联联而成的，，中间直流流母线电压压一般都稳稳定在400V。前级的Boost电路实现功功率因数校校正，后级级的DC/DC变换器实现现隔离和降降压。其优优点是每级级电路可单单独分析、、设计和控控制，特别别适合作为为分布式电电源系统的的前置级。。单级式APFC电路集功率率因数校正正和输出隔隔离、电电压稳定于于一体，结结构简单，，效率高，，但分析和和控制复杂杂，适用用于单一集集中式电源源系统。8.3.3有源功率因因数校正的的电路结构构图8-28有源功率因因数校正电电路结构(a)双级式；(b)单级式有源功率因因数校正技技术的思路路是，控制制已整流后后的电流，，使之在在对滤波大大电容充电电之前能与与整流后的的电压波形形相同，从从而避免免形成电流流脉冲，达达到改善功功率因数的的目的。有有源功率因因数校正电电路原理如如图8-29所示，主主电路是一一个全波整整流器，实实现AC/DC的变换，电电压波形不不会失真；；在滤波电电容C之前是一个个Boost变换器，实实现升压式式DC/DC变换。从控控制回路来来看，它它由一个电电压外环和和一个电流流内环构成成。在工作作过程中，，升压电感感L1中的电流受受到连续的的监控和调调节，使之之能跟随整整流后正弦弦半波电压压波形。8.3.4有源功率因因数校正的的控制图8-29有源功率因因数校正电电路原理整流器输出出电压ud、升压变换器器输出电容容电压uC与给定电压压U*c的差值都同同时作为乘乘法器的输输入，构成成电压外环环,而乘法器的的输出就是是电流环的的给定电流流I*s。升压变换器器输出电容容电压uC与给定电压U*c作比较的目目的是判断断输出电压压是否与给给定电压相相同，如果果不相同，，可以通过过调节器调调节使之与与给定电压压相同，调调节器（图图中的运算算放大器））的输出是是一个直流流值，这就就是电压环环的作用。。而整流器器输出电压压ud显然是正弦弦半波电压压波形，它它与调节器器结果相乘乘后波形不不变，所所以很明显显也是正弦弦半波的波波形且与ud同相。

将乘法器的输出作为电流环的给定信号I*s，才能保证被控制的电感电流iL与电压波形ud一致。I*s的幅值与输出电压uC同给定电压U*c的差值有关，也与ud的幅值有关。L1中的电流检测信号iF与I*s构成电流环，产生PWM信号,即开关V的驱动信号。V导通，电感电流iL增加。当i