西門(mén)子PLC模塊6ES7313-5BG04-0AB0

實(shí)際電路中的元器件種類(lèi)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(chē)?yán)鹊仍饕碾姶盘匦允窍碾娔?，各種電感線圈（如變壓器線圈、點(diǎn)火線圈等）主要是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，各種類(lèi)型的電容器主要是儲(chǔ)存電場(chǎng)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(jiǎn)化電路的分析，在工程上通常將實(shí)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(shí)際元件近似地看作理想電路元件，用一個(gè)理想電路元件或由幾個(gè)理想元件的組合來(lái)代替實(shí)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(shí)際元件，用字母R表示，簡(jiǎn)稱(chēng)電阻；
“電感元件" ——替代主要是儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的實(shí)際元件，用字母L表示，簡(jiǎn)稱(chēng)電感；
“電容元件" ——替代主要是儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的實(shí)際元件，用字母C表示，簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)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(hào)見(jiàn)圖2。

 
電路模型就是指用理想電路元件及其組合來(lái)代替實(shí)際電路元件構(gòu)成的實(shí)際電路。如圖 b)為手電筒電路模型，由圖可見(jiàn)，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(jì)，用導(dǎo)線表示，電筒開(kāi)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(shí)現(xiàn)思路

●APFC原理及實(shí)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(shuō)，供電廠提供的能量是呈現(xiàn)出正弦形式的波動(dòng)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(huì)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(lèi)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(lèi)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(huì)正功，一會(huì)負(fù)功，也就是說(shuō)，電感和電容一會(huì)從供電廠吸取能量，一會(huì)向供電廠提供能量。

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

●在這個(gè)儲(chǔ)能放能的過(guò)程中，能量都被消耗在了供電線上了，用電設(shè)備由于沒(méi)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(duì)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(lái)產(chǎn)生直流輸出，這是一種很常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，只有在AC電壓比電容電壓高時(shí)，二極管才能導(dǎo)通，此時(shí)才有電流，為了提供整個(gè)周期的功率，在此范圍內(nèi)必須有很大的電流，也就是說(shuō)，AC源必須在短短的時(shí)間內(nèi)提供夠用很長(zhǎng)一端時(shí)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(gè)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(jí)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(lái)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(wú)法產(chǎn)生的，因此供電廠必須使出額外的力氣來(lái)產(chǎn)生所有的高次諧波，因此THD實(shí)際上描述了供電廠必須具備的額外供電能力，或者說(shuō)做的無(wú)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(hào)，這些信號(hào)會(huì)干擾其他設(shè)備，這個(gè)干擾可以通過(guò)線路傳導(dǎo)，也可以通過(guò)輻射傳播，線路傳導(dǎo)稱(chēng)為RFI，輻射傳播稱(chēng)為EMI。

總諧波失真的具體計(jì)算

●諧波失真描述的是一堆正弦信號(hào)，或者說(shuō)交流信號(hào)，交流信號(hào)講究的是有效值，因此必須使用方和根來(lái)計(jì)算，其公式如下：

★第一步，求出每一個(gè)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(wú)窮大，但實(shí)際應(yīng)用中，H不會(huì)取很大，一般幾十就足夠精確了；

★第三步，開(kāi)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(huì)使用圖標(biāo)來(lái)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(gè)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?yàn)榕即沃C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(duì)稱(chēng)的形式，這種對(duì)稱(chēng)波形稱(chēng)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(shí)應(yīng)用中，設(shè)備往往同時(shí)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(shí)，功率因素的定義為：

小結(jié)

●現(xiàn)在可以看到，對(duì)用電設(shè)備的友好性可以用PF來(lái)衡量，很多時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)思路

●PF低的原因有2個(gè)，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(chēng)為PFC電路，PFC的思路也是分為2個(gè)：

★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(chēng)為無(wú)源PFC，常用于只有相位偏移的場(chǎng)合；

★對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要的問(wèn)題是波形失真，因此不能采用無(wú)源PFC，只能采用其他方法，這些方法統(tǒng)稱(chēng)為有源PFC。

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

--有時(shí)候，將無(wú)源PFC也歸為被動(dòng)式，這樣PFC分P和A兩類(lèi)，P又包括無(wú)源和有源兩種。

PPFC電路

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

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

★兩個(gè)電容相同，因此電容的電壓總是會(huì)自動(dòng)保持相等。

逐流電路提高PF值的方法

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

★假設(shè)VAC為220V，VDC穩(wěn)定在200V，那么無(wú)逐流電路時(shí)，只有VAC>200V，二極管才導(dǎo)通，有逐流電路時(shí)，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(guò)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(shí)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(shí)現(xiàn)思路

APFC的原理

●開(kāi)關(guān)電源的波形失真的罪魁禍?zhǔn)资钦鳂蚝竺娴碾娙?，使用逐流電路后可以緩解這個(gè)問(wèn)題，但不能，而主動(dòng)式PFC能夠這個(gè)問(wèn)題。

●主動(dòng)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(lái)像一個(gè)電阻，使得電流是隨著輸入電壓的變化而變化的。

★因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源在整流橋后面是一個(gè)電感負(fù)載，電感的電流電壓關(guān)系為：

★所以開(kāi)關(guān)電源需要控制t，來(lái)使得?vdt和V成正比。

APFC的形式

●開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)開(kāi)關(guān)切換來(lái)間歇式的將能量傳遞過(guò)去，因此不可能使瞬時(shí)電流呈現(xiàn)出一個(gè)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(duì)應(yīng)3種模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

電流平滑

●開(kāi)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(huì)很大，因此，需要在輸入端加一個(gè)電流低通濾波電路。

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