第一章 電源簡介
1.1 電源分類
1.1.1 電源與電源轉換器
?? 電源轉換器是能夠?qū)㈦娏δ茉吹男问竭M行控制和轉換的裝置,它的能量變化過程是電能→電能,而非其他能量→電能。電源轉換器能夠轉換主電源電能的形式或規(guī)格,用于滿足不同用電設備對不同電能形式的需要,或用在供電電源與負載之間,對電能進行變換或穩(wěn)定處理。本書中所講的“電源”概念,實際上指的是電源轉換器。
1.1.2 電源轉換器類型
?? AC-AC(交流-交流)轉換器:如交流電源變壓器、變頻器等。AC-DC(交流-直流)轉換器:整流器。DC-DC(直流-直流)轉換器。DC-AC(直流-交流)轉換器:逆變器。
(2)根據(jù)轉換的方法分類,可分為
?? 線性電源:使用工作在線性區(qū)的功率器件調(diào)整管,靠調(diào)整功率管上的電壓降來穩(wěn)定輸出。線性電源的缺點是:由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大,因此效率相對較低,且需要安裝一個很大的散熱器來散熱;由于變壓器工作在工頻(50Hz)上,所以 體積和重量較大。優(yōu)點是穩(wěn)定性高、紋波小、可靠性高,易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。
??開關電源:開關電源是通過控制開關管的開通和關斷來輸出電壓的一種電源。它的優(yōu)點是:與同功率檔次的線性電源相比,體積小、重量輕,在高功率產(chǎn)品中這種差異更為明顯,這是因為開關電源不需要沉重的工頻變壓器和很大容量的濾波電容,同時開關管功耗比線性電源調(diào)整管小得多,因此所需散熱片面積比較?。婚_關電源的控制方式和電路拓撲決定了它的功耗小、轉換效率高、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、安全可靠、電路形式靈活。開關電源近年來一直有較大的發(fā)展,研究人員提出了包括高頻化、軟開關技術、諧振直流環(huán)、屏蔽技術等在內(nèi)的多項新技術,很多廠家也都不斷推出高性能高集成度的控制IC,使得開關電源的線路在不斷簡化的同時具有更可靠高效的性能。
??開關電源按控制方式可分為:
?? 脈沖調(diào)制變換器:驅(qū)動波形為方波。包括PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、混合調(diào)制等。
?? 諧振式變換器:驅(qū)動波形為使用諧振電路得到的正弦波。包括ZCS(零電流諧振開關)、ZVS(零電壓諧振開關)等。
??按拓撲結構可分為:
?? 隔離式:采用變壓器來實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離。包括單管正激式、單管反激式、雙管正激式、雙管反激式、推挽式、半橋式和全橋式等類型。
?? 非隔離式:拓撲中不使用隔離變壓器,輸入與輸出不存在電氣隔離。包括降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升壓降壓式(Buck Boost)、Cuk DC/DC轉換器、Zeta DC/DC轉換器和SEPIC DC/DC轉換器等類型。
(3)根據(jù)調(diào)控的效果分類,可分為:
?? 穩(wěn)壓電源:能為負載提供穩(wěn)定的交流或直流電壓的電源。當電網(wǎng)電壓或負載出現(xiàn)波動時,輸出電壓保持不變。
?? 恒流電源:能向負載提供恒定電流的電源,在電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動或阻抗特性發(fā)生變化時仍能使輸出電流保持恒定?,F(xiàn)有的恒流電源的恒流范圍大致為1μA~20A。它既可以為各種放大電路提供偏流以穩(wěn)定其靜態(tài)工作點,又可以作為其有源負載以提高放大倍數(shù),在差動放大電路、脈沖產(chǎn)生電路中也得到了廣泛應用。恒流電源依據(jù)其主要構成元件可以分為晶體管恒流源、場效應管恒流源、集成運放恒流源等。
?? 調(diào)頻/變頻電源:輸出電壓的頻率可調(diào)的(交流)電源。
1.2 電源的各項指標
1.2.1 直流電源指標
??其中, Uomax為輸入電壓變化時最大輸出電壓, Uomin為最小輸出電壓值, Uo為額定輸出電壓。
(2)負載調(diào)整率Si :負載調(diào)整率也稱為電流調(diào)整率。表示在輸入電壓不變的情況下,在一定范圍內(nèi)改變負載時,輸出電壓的最大相對變化量。即:
??其中, Uo2為空載(或輕載)時輸出電壓, Uo1為滿載(或重載)時輸出電壓, Uo為額定負載時輸出電壓。
(3) 紋波電壓(電流)的指標形式:
??最大紋波電壓(電流):在額定輸出電壓和負載電流下,輸出電壓(電流)的紋波(包括噪聲)峰-峰值大小,通常以峰-峰值△Vp-p(△Ip-p)或有效值△Vrms(△Irms)表示。
?? 紋波系數(shù) :在額定負載電流下,輸出紋波電壓的有效值與輸出直流電壓之比。即:
1.2.2 交流電源指標
(4) 有功功率P:將電能轉換為其他形式能量(如機械能、光能、熱能等)的電功率,單位為瓦特(W)。 有功功率用一個周期內(nèi)瞬時功率的積分的平均值來計算。
??對于交流電,
??其中,u(t) i(t)分別為瞬時電壓、電流, T為周期。
??對于正弦交流電,
??其中, U和I分別為電壓、電流有效值, φ為電壓、電流相位差。
(5) 無功功率Q:電路中為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率,單位為乏(Var)。無功功率不對外作功,也不轉化為機械能、熱能,而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰?,用于電路?nèi)電場與磁場的交換,并用來在電氣設備中建立和維持磁場。無功功率是交流電路中由于電抗性元件(指純電感或純電容)的存在,而進行可逆性轉換的那部分電功率。
(6) 視在功率S:視在功率是有功功率和無功功率的向量和,也可以用電壓和電流有效值的乘積來表示,單位為伏安(VA)或千伏安(kVA)。視在功率表明了用電器從電源(電網(wǎng))獲取的總功率,但并不代表用電器真正消耗的功率。它代表了一種能量之間的交換關系,也是衡量用電器最大負荷承受能力的指標之一。
(7) 功率因數(shù)PF:功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率S的比值,在正弦交流電中可等效為電壓與電流相位差的余弦值。功率因數(shù)計算公式為
??其中 φ表示 u(t)和i(t) 的相位差,也稱功率因數(shù)角;γ表示基波因數(shù),定義為基波有效值(均方根值)與真有效值(均方根值)的比值,對于純正弦交流信號,γ=1 。
??功率因數(shù)是對電能進行安全有效利用的衡量標準之一,功率因數(shù)值越大,代表電力電子設備的電能利用率越高。
??如圖所示,“功率三角形”表示視在功率S、有功功率P和無功功率Q三者在數(shù)值上的關系。
(8) 諧波失真THD:THD有兩個常用的定義。在IEC 61000-4-7中,THD定義為指定 次全部諧波分量均方根值與基波分量均方根值之比。公式用來計算電壓和電流THD:
??這一THD定義更常見于能源計量系統(tǒng),如果基波的貢獻小于其他諧波的總貢獻,得到的THD值可能會超過100%。
??THD的另外一個定義是指定次( N)全部諧波分量均方根值與總均方根值之比。 總RMS值包括基波和其他諧波的作用。公式分別用來計算電壓和電流THD:
?? 在THD的這一定義中,由于總均方根被用作分母,而不僅僅是基波均方根值。因此,得到的值總小于100%。
??在公式中,Vh,rms 和 Ih,rms分別表示電壓、電流的h次諧波有效值。在測試THD精度時,需注意所使用的THD定義,因為這兩個不同的定義會得出兩個不同的值。
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