開(kāi)關(guān)電源為什么叫開(kāi)關(guān)電源呢
變頻器是一種靜止的頻率變換器,可將電網(wǎng)電源的50Hz頻率交流電變成頻率可調(diào)的交流電,作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置,目前在國(guó)內(nèi)外使用廣泛。使用變頻器可以節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率等。
1、變頻器組成原理
1.1變頻器的基本結(jié)構(gòu)
調(diào)速用變頻器構(gòu)成:主電路、控制電路、保護(hù)電路
變頻器主電路工作原理
變壓變頻裝置結(jié)構(gòu)框圖
按照不同的控制方式,交-直-交變頻器可分成以下三種方式:
采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式,其結(jié)構(gòu)框圖。
可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn):
在這種裝置中,調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別進(jìn)行,在控制電路上協(xié)調(diào)配合,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便。但是,由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器,當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí),電網(wǎng)端功率因數(shù)較低。而輸出環(huán)節(jié)多用由晶閘管組成多拍逆變器,每周換相六次,輸出的諧波較大,因此這類控制方式現(xiàn)在用的較少。
采用不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式,其結(jié)構(gòu)框圖。
不控整流器整流、斬波器調(diào)壓、再用逆變器調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn):
整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流器,只整流不調(diào)壓,再單獨(dú)設(shè)置斬波器,用脈寬調(diào)壓,這種方法克服功率因數(shù)較低的缺點(diǎn);但輸出逆變環(huán)節(jié)未變,仍有諧波較大的缺點(diǎn);
采用不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式,其結(jié)構(gòu)框圖。
不控制整流器整流、脈寬調(diào)制(PWM)逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式的特點(diǎn):
在這類裝置中,用不控整流,則輸入功率因數(shù)不變;用(PWM)逆變,則輸出諧波可以減小。PWM逆變器需要全控型電力半導(dǎo)體器件,其輸出諧波減少的程度取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率,而開(kāi)關(guān)頻率則受器件開(kāi)關(guān)時(shí)間的限制。采用絕緣雙極型晶體管IGBT時(shí),開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)10kHz以上,輸出波形已經(jīng)非常逼近正弦波,因而又稱為SPWM逆變器,成為當(dāng)前最有發(fā)展前途的一種裝置形式。
電壓型變頻器結(jié)構(gòu)框圖:
電壓型變頻器:
在交-直-交變頻器中,當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí),直流電壓波形比較平直,在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源,輸出交流電壓是矩形波或階梯波,這類變頻器叫做電壓型變頻器
電流型變頻器結(jié)構(gòu)框圖:
電流型變頻器:
當(dāng)交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí),直流電流波形比較平直,因而電源內(nèi)阻抗很大,對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)電流源,輸出交流電流是矩形波或階梯波,這類變頻器叫做電流型變頻器。
2、幾種典型的交-直-交變頻器的主電路
①交-直-交電壓型變頻電路
常用的交—直—交電壓型PWM變頻電路。
交—直—交電壓型PWM變頻電路采用二極管構(gòu)成整流器,完成交流到直流的變換,其輸出直流電壓Ud是不可控的;中間直流環(huán)節(jié)用大電容C濾波;電力晶體管V1~V6構(gòu)成PWM逆變器,完成直流到交流的變換,并能實(shí)現(xiàn)輸出頻率和電壓的同時(shí)調(diào)節(jié),VD1~VD6是電壓型逆變器所需的反饋二極管。
②交-直-交電流型變頻電路
常用的交-直-交電流型變頻電路。
交-直-交電流型變頻電路:整流器采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路,完成交流到直流的變換,輸出可控的直流電壓U,實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能;中間直流環(huán)節(jié)用大電感L濾波;逆變器采用晶閘管構(gòu)成的串聯(lián)二極管式電流型逆變電路,完成直流到交流的變換,并實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。
③交-直-交電壓型變頻器與電流型變頻器的性能比較
3、絕緣門極晶體管(IGBT)
一.IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理
絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管,是一種新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型電力電子器件。
由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點(diǎn),既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),又具有輸入通態(tài)電壓低,耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn),這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。
在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī),中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域,IGBT有著主導(dǎo)地位。
1. IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理
1)基本結(jié)構(gòu)
IGBT也是三端器件,三個(gè)極為漏極(D)、柵極(G)和源極(S)。
(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) (b)簡(jiǎn)化等效電路(c)電氣圖形符號(hào)
2)工作原理
IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同,它是一種壓控型器件。
開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的,當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí),MOSFET內(nèi)形成溝道,并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通。
當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí),MOSFET內(nèi)的溝道消失,晶體管無(wú)基極電流,IGBT關(guān)斷。
2.IGBT的基本特性與主要參數(shù)
IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性
(a) 轉(zhuǎn)移特性 (b) 輸出特性
1)IGBT的基本特性
① 靜態(tài)特性
IGBT的轉(zhuǎn)移特性,它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系,與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。
開(kāi)啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。
UGE(th)隨溫度升高而略有下降,溫度升高1oC,其值下降5mV左右。在+25oC時(shí),UGE(th)的值一般為2~6V。
IGBT的輸出特性,也稱伏安特性,它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí),集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。穩(wěn)壓環(huán)路原理:
1、反饋電路原理圖:
2、工作原理:
當(dāng)輸出U0升高,經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后,U1③腳電壓升高,當(dāng)其超過(guò)U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出高電平,使Q1導(dǎo)通,光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光,光電三極管導(dǎo)通,UC3842①腳電位相應(yīng)變低,從而改變U1⑥腳輸出占空比減小,U0降低。
當(dāng)輸出U0降低時(shí),U1③腳電壓降低,當(dāng)其低過(guò)U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出低電平,Q1不導(dǎo)通,光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光,光電三極管不導(dǎo)通,UC3842①腳電位升高,從而改變U1⑥腳輸出占空比增大,U0降低。周而復(fù)始,從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。
反饋環(huán)路是影響開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等,會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,故障現(xiàn)象為:波形異常,空、滿載振蕩,輸出電壓不穩(wěn)定等。
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六、短路保護(hù)電路: 1、在輸出端短路的情況下,PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個(gè)**范圍內(nèi),它可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)限流電路,當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí),只有另增設(shè)一部分電路。 2、短路保護(hù)電路通常有兩種,下圖是小功率短路保護(hù)電路,其原理簡(jiǎn)述如下:
當(dāng)輸出電路短路,輸出電壓消失,光耦OT1不導(dǎo)通,UC3842①腳電壓上升至5V左右,R1與R2的分壓超過(guò)TL431基準(zhǔn),使之導(dǎo)通,UC3842⑦腳VCC電位被拉低,IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失,TL431不導(dǎo)通UC3842⑦腳電位上升,UC3842重新啟動(dòng),周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后,電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。 3、下圖是**率短路保護(hù)電路,其原理簡(jiǎn)述如下:
當(dāng)輸出短路,UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳電位高于②腳時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位,給 C1充電,當(dāng)C1兩端電壓超過(guò)⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí) U1⑦腳輸出低電位,UC3842①腳低于1V,UCC3842 停止工作,輸出電壓為0V,周而復(fù)始,當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時(shí)間常數(shù),阻值不對(duì)時(shí)短路保護(hù)不起作用。 4、 下圖是常見(jiàn)的限流、短路保護(hù)電路。其工作原理簡(jiǎn)述如下:
當(dāng)輸出電路短路或過(guò)流,變壓器原邊電流增大,R3 兩端電壓降增大,③腳電壓升高,UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大,③腳電壓超過(guò)1V時(shí),UC3842關(guān)閉無(wú)輸出。 5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路,
有著功耗小,但成本高和電路較為復(fù)雜,其工作原理簡(jiǎn)述如下:輸出電路短路或電流過(guò)大,TR1次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓就越高,當(dāng)UC3842③腳超過(guò)1伏,UC3842 停止工作,周而復(fù)始,當(dāng)短路或過(guò)載消失,電路自行恢復(fù)。 七、【b】輸出端限流保護(hù)【/b】:】:
上圖是常見(jiàn)的輸出端限流保護(hù)電路,其工作原理簡(jiǎn)述如上圖:當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí),RS(錳銅絲)兩端電壓上升,U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓,U1①腳輸出高電壓,Q1導(dǎo)通,光耦發(fā)生光電效應(yīng),UC3842①腳電壓降低,輸出電壓降低,從而達(dá)到輸出過(guò)載限流的目的。
八、輸出過(guò)壓保護(hù)電路的原理:
輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是:當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí),把輸出電壓限定在一**值的范圍內(nèi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。應(yīng)用*為普遍的過(guò)壓保護(hù)電路有如下幾種:
1、可控硅觸發(fā)保護(hù)電路:
如上圖,當(dāng)Uo1輸出升高,穩(wěn)壓管(Z3)擊穿導(dǎo)通,可控硅(SCR1)的控制端得到觸發(fā)電壓,因此可控硅導(dǎo)通。Uo2電壓對(duì)地短路,過(guò)流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會(huì)工作,停止整個(gè)電源電路的工作。當(dāng)輸出過(guò)壓現(xiàn)象排除,可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過(guò)R對(duì)地泄放,可控硅恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。
2、光電耦合保護(hù)電路:
如上圖,當(dāng)Uo有過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通,經(jīng)光耦(OT2)R6到地產(chǎn)生電流流過(guò),光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得電導(dǎo)通, 3842的③腳電降低,使IC關(guān)閉,停止整個(gè)電源的工作,Uo為零,周而復(fù)始,。
3、輸出限壓保護(hù)電路:
輸出限壓保護(hù)電路如下圖,當(dāng)輸出電壓升高,穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通,Q1基極有驅(qū)動(dòng)電壓而道通,UC3842③電壓升高,輸出降低,穩(wěn)壓管不導(dǎo)通,UC3842③電壓降低,輸出電壓升高。周而復(fù)始,輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)(取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。
4、輸出過(guò)壓鎖死電路:
圖A的工作原理是,當(dāng)輸出電壓Uo升高,穩(wěn)壓管導(dǎo)通,光耦導(dǎo)通,Q2基極得電導(dǎo)通,由于Q2的導(dǎo)通Q1基極電壓降低也導(dǎo)通,Vcc電壓經(jīng)R1、Q1、R2使Q2始終導(dǎo)通,UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中,UO升高U1③腳電壓升高,①腳輸出高電平,由于D1、R1的存在,U1①腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通,UC3842①腳始終是低電平而停止工作。
九、功率因數(shù)校正電路(PFC):
1、原理示意圖:
2、工作原理: 輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3等組成的EMI濾波器,BRG1整流一路送PFC電感,另一路經(jīng)R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣,用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比,即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,它在Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量,在Q1關(guān)斷時(shí)施放能量。D1是啟動(dòng)二極管。D2是PFC整流二極管,C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級(jí)電路,另一路經(jīng)R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣,用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比,穩(wěn)定PFC輸出電壓。