西門子PLC模塊6ES7313-5BG04-0AB0

實際電路中的元器件種類繁多,，但在電磁現(xiàn)象方面一些元器件卻有共同之處。例如各種電阻器,、照明燈,、汽車?yán)鹊仍饕碾姶盘匦允窍碾娔埽鞣N電感線圈（如變壓器線圈,、點(diǎn)火線圈等）主要是儲存磁場能量,，各種類型的電容器主要是儲存電場能量，而蓄電池,、干電池,、發(fā)電機(jī)等部件主要是提供電能。為了便于探討電路的一般規(guī)律,，簡化電路的分析,，在工程上通常將實際的電路元件用理想電路元件替代。即在一定的條件下,，突出元件主要的電磁性質(zhì),，忽略其次要因素，把實際元件近似地看作理想電路元件,，用一個理想電路元件或由幾個理想元件的組合來代替實際的電路元件,。例如：
“電阻元件"——替代主要是消耗電能并轉(zhuǎn)換成其它形式能量的實際元件，用字母R表示,，簡稱電阻,；
“電感元件" ——替代主要是儲存磁場能量的實際元件，用字母L表示,，簡稱電感,；
“電容元件" ——替代主要是儲存電場能量的實際元件，用字母C表示,，簡稱電容,；
“理想電壓源"、“理想電流源" 與“電阻元件"組合替代主要是供給能量的實際元件,，理想電壓源,、理想電流源分別用字母US、IS表示,。
電阻R,、電感L、電容C、電壓源US,、電流源IS圖形符號見圖2,。

 
電路模型就是指用理想電路元件及其組合來代替實際電路元件構(gòu)成的實際電路。如圖 b)為手電筒電路模型,，由圖可見,，通常干電池用電壓源Us和內(nèi)部電阻Ro表示,，燈泡用電阻RL表示,，電筒的金屬殼體或聯(lián)結(jié)銅條，其消耗能量忽略不計,，用導(dǎo)線表示,，電筒開關(guān)用S表示

概述

●理解交流供電的特殊性

●理解PF和THD

●PPFC原理及實現(xiàn)思路

●APFC原理及實現(xiàn)思路

理解交流供電的特殊性

理解供電廠與用電設(shè)備模型

●供電廠提供的為交流電，也就是說,，供電廠提供的能量是呈現(xiàn)出正弦形式的波動的,，而不是一直持續(xù)不變的功率。

●電廠到用電設(shè)備之間的傳輸線是有電阻的,，這些電阻會消耗能量,。

●用電設(shè)備有電阻性的，也有電容和電感性的,。

各種負(fù)載類型的設(shè)備的等效電路

各種負(fù)載的情況

●下圖示出了4種類型負(fù)載的消耗能量的情況

詳細(xì)分析各種負(fù)載的情況（電阻V.S. 感容）

●由前面的圖可以看到,，消耗的功率=U*I，電阻消耗的總是正功,，而電容和電感卻不是,，一會正功，一會負(fù)功,，也就是說,，電感和電容一會從供電廠吸取能量，一會向供電廠提供能量,。

★這個現(xiàn)象的原因是,，電感和電容屬于儲能設(shè)備，本身不消耗能量,。

●在這個儲能放能的過程中,，能量都被消耗在了供電線上了，用電設(shè)備由于沒有消耗能量,，供電廠不能收取電費(fèi),，但供電廠依然需要架設(shè)對應(yīng)的供電設(shè)備，并且不停的提供能量,。

詳細(xì)分析各種負(fù)載的情況（二極管的情況）

●二極管形成的整流電路,，加上電容，用來產(chǎn)生直流輸出，這是一種很常見的結(jié)構(gòu),，只有在AC電壓比電容電壓高時,，二極管才能導(dǎo)通，此時才有電流,，為了提供整個周期的功率,，在此范圍內(nèi)必須有很大的電流，也就是說,，AC源必須在短短的時間內(nèi)提供夠用很長一端時間的能量給設(shè)備,。

★由于供電廠只能產(chǎn)生正弦形式的功率輸出，為了達(dá)到這個目的,，供電廠必須建設(shè)遠(yuǎn)超出正常消耗的供電設(shè)備,，以維持用電設(shè)備的用電。

理解PF和THD

●為了描述這種電容電感導(dǎo)致的,，電流和電壓不同步的情況,，引入功率因數(shù)的定義。

●用電流和電壓的相位角之差的余弦值作為功率因數(shù),。

★PF大還是小比較好,？

總諧波失真（THD）

●非正弦的周期波形能夠拆分成傅里葉級數(shù)，這樣就得到了該周期波形的基波和各次諧波,。

●用總諧波失真來表示各次諧波的大小,，在供電領(lǐng)域，諧波的大小特指流的大小,。

★THD大還是小比較好,。

諧波失真的危害

●供電廠產(chǎn)生的電流波形是基波的正弦，而其他高次諧波的波形是供電廠無法產(chǎn)生的,，因此供電廠必須使出額外的力氣來產(chǎn)生所有的高次諧波,，因此THD實際上描述了供電廠必須具備的額外供電能力，或者說做的無效功,。

●諧波失真的其他危害還表現(xiàn)在產(chǎn)生了一些高頻的信號,，這些信號會干擾其他設(shè)備，這個干擾可以通過線路傳導(dǎo),，也可以通過輻射傳播,，線路傳導(dǎo)稱為RFI，輻射傳播稱為EMI,。

總諧波失真的具體計算

●諧波失真描述的是一堆正弦信號,，或者說交流信號，交流信號講究的是有效值,，因此必須使用方和根來計算,，其公式如下：

★第一步,，求出每一個高次諧波和基波的比值；

★第二步,，比值求和,，理論上H可以取到無窮大，但實際應(yīng)用中,，H不會取很大,，一般幾十就足夠精確了；

★第三步,，開方,。

諧波失真的圖形表示

●總諧波失真代表了供電能力的浪費(fèi)，而高次諧波的幅度則代表了電磁干擾的強(qiáng)度,，因此通常還會使用圖標(biāo)來表示諧波失真,，這樣可以比較形象的看出諧波失真的電磁干擾危害程度,。

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偶次諧波和奇次諧波

●仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),，電流諧波失真圖上，偶次諧波的分量幾乎為0,。

●這個不是偶然,，在電力領(lǐng)域，談到諧波失真,，都不需要考慮偶次諧波,，只考慮奇次諧波，因為偶次諧波分量可以忽略,。

●偶次諧波分量為0的原因在于電流波形總是呈現(xiàn)正負(fù)對稱的形式,，這種對稱波形稱為奇諧波形，其偶次分量為0,，其分析如下：

考慮THD后的PF

●真實應(yīng)用中,，設(shè)備往往同時包含電容/電感和有源器件，因此電流波形既表現(xiàn)出和電壓正弦的相位差,，又表現(xiàn)出非正弦特性,，如下圖，此時,，功率因素的定義為：

小結(jié)

●現(xiàn)在可以看到,，對用電設(shè)備的友好性可以用PF來衡量，很多時候PF和THD是存在關(guān)系的,，THD越大,，PF越低，但THD小不意味著PF高,，還要考慮電流相位的影響,。

●THD既要小,，同時還要在高頻處的諧波分量盡量的小，以減少干擾,。

PPFC原理及實現(xiàn)思路

●PF低的原因有2個,，電容或電感引起的電流相位偏移，有源器件引起的波形失真,。

●提高PF的電路稱為PFC電路,，PFC的思路也是分為2個：

★增加補(bǔ)償電路，比如負(fù)載為電容,，就在供電線路上加入電感,，這種方法稱為無源PFC，常用于只有相位偏移的場合,；

★對于開關(guān)電源來說,，主要的問題是波形失真，因此不能采用無源PFC,，只能采用其他方法,，這些方法統(tǒng)稱為有源PFC。

--有源PFC也分2種,，一種是PPFC(被動式PFC),，另一種是APFC(主動式PFC)。

--有時候,，將無源PFC也歸為被動式,，這樣PFC分P和A兩類，P又包括無源和有源兩種,。

PPFC電路

●使用一種稱為逐流電路的結(jié)構(gòu)可以提高開關(guān)電源的PF值,。

★注意逐流電路的連接，當(dāng)VDC比2個電容電壓加起來還高時,，逐流電路充電,，當(dāng)VDC比2個電容電壓并聯(lián)的電壓低時，逐流電路放電,，當(dāng)VDC介于兩者之間時,，逐流電路既不放電也不充電。

★兩個電容相同,，因此電容的電壓總是會自動保持相等,。

逐流電路提高PF值的方法

●假如沒有逐流電路，當(dāng)VACVDC時，二極管才導(dǎo)通,，加上逐流電路后,，當(dāng)VAC小于兩個電容電壓之和時,，二極管依然導(dǎo)通，直到VAC小于電容電壓,，這無形中延長了二極管導(dǎo)通的時間,。

★假設(shè)VAC為220V,，VDC穩(wěn)定在200V，那么無逐流電路時,，只有VAC>200V,，二極管才導(dǎo)通，有逐流電路時,，VAC>100V,，二極管就導(dǎo)通。

逐流電路的疊加

●從前面的分析可以看到,，逐流電路是通過二極管環(huán)向,，使得電容是串聯(lián)充電，并聯(lián)放電,，串聯(lián)時數(shù)量為2,，因此充放電區(qū)間的電壓落差為2倍。

●如果希望提高逐流電路的PFC效果,，可以將電壓落差加大，增加到3,，甚至4,。

APFC原理及實現(xiàn)思路

APFC的原理

●開關(guān)電源的波形失真的罪魁禍?zhǔn)资钦鳂蚝竺娴碾娙荩褂弥鹆麟娐泛罂梢跃徑膺@個問題,，但不能,，而主動式PFC能夠這個問題。

●主動式PFC的方法是直接將整流橋后面的電容直接去掉,，讓輸入電流持續(xù),。

★光讓電流持續(xù)還不夠，還必須讓整流橋后面的部分看起來像一個電阻,，使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的,。

★因為開關(guān)電源在整流橋后面是一個電感負(fù)載，電感的電流電壓關(guān)系為：

★所以開關(guān)電源需要控制t,，來使得?vdt和V成正比,。

APFC的形式

●開關(guān)電源是通過開關(guān)切換來間歇式的將能量傳遞過去，因此不可能使瞬時電流呈現(xiàn)出一個連續(xù)平滑的正弦波形,，只能使平均電流波形呈現(xiàn)出正弦波形,。

★一共有3種形式的電流波形,，對應(yīng)3種模式CCM，BCM(CRM),，DCM,。

電流平滑

●開關(guān)電源只能制造鋸齒形的電流，而PFC要求較平滑的電流,，否則電流THD會很大,，因此，需要在輸入端加一個電流低通濾波電路,。

★電流濾波使用電感和電容,，電感對電流進(jìn)行平滑，而電容儲存能量,，應(yīng)付PFC過程中的電流突變,。