西门子PLC模块6ES7313-5BG04-0AB0

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实际电路中的元器件种类繁多，但在电磁现象方面一些元器件却有共同之处。例如各种电阻器、照明灯、汽车喇叭等元件主要的电磁特性是消耗电能，各种电感线圈（如变压器线圈、点火线圈等）主要是储存磁场能量，各种类型的电容器主要是储存电场能量，而蓄电池、干电池、发电机等部件主要是提供电能。为了便于探讨电路的一般规律，简化电路的分析，在工程上通常将实际的电路元件用理想电路元件替代。即在一定的条件下，突出元件主要的电磁性质，忽略其次要因素，把实际元件近似地看作理想电路元件，用一个理想电路元件或由几个理想元件的组合来代替实际的电路元件。例如：
“电阻元件"——替代主要是消耗电能并转换成其它形式能量的实际元件，用字母R表示，简称电阻；
“电感元件" ——替代主要是储存磁场能量的实际元件，用字母L表示，简称电感；
“电容元件" ——替代主要是储存电场能量的实际元件，用字母C表示，简称电容；
“理想电压源"、“理想电流源" 与“电阻元件"组合替代主要是供给能量的实际元件，理想电压源、理想电流源分别用字母US、IS表示。
电阻R、电感L、电容C、电压源US、电流源IS图形符号见图2。

 
电路模型就是指用理想电路元件及其组合来代替实际电路元件构成的实际电路。如图 b)为手电筒电路模型，由图可见，通常干电池用电压源Us和内部电阻Ro表示，灯泡用电阻RL表示，电筒的金属壳体或联结铜条，其消耗能量忽略不计，用导线表示，电筒开关用S表示

概述

●理解交流供电的特殊性

●理解PF和THD

●PPFC原理及实现思路

●APFC原理及实现思路

理解交流供电的特殊性

理解供电厂与用电设备模型

●供电厂提供的为交流电，也就是说，供电厂提供的能量是呈现出正弦形式的波动的，而不是一直持续不变的功率。

●电厂到用电设备之间的传输线是有电阻的，这些电阻会消耗能量。

●用电设备有电阻性的，也有电容和电感性的。

各种负载类型的设备的等效电路

各种负载的情况

●下图示出了4种类型负载的消耗能量的情况

详细分析各种负载的情况（电阻V.S. 感容）

●由前面的图可以看到，消耗的功率=U*I，电阻消耗的总是正功，而电容和电感却不是，一会正功，一会负功，也就是说，电感和电容一会从供电厂吸取能量，一会向供电厂提供能量。

★这个现象的原因是，电感和电容属于储能设备，本身不消耗能量。

●在这个储能放能的过程中，能量都被消耗在了供电线上了，用电设备由于没有消耗能量，供电厂不能收取电费，但供电厂依然需要架设对应的供电设备，并且不停的提供能量。

详细分析各种负载的情况（二极管的情况）

●二极管形成的整流电路，加上电容，用来产生直流输出，这是一种很常见的结构，只有在AC电压比电容电压高时，二极管才能导通，此时才有电流，为了提供整个周期的功率，在此范围内必须有很大的电流，也就是说，AC源必须在短短的时间内提供够用很长一端时间的能量给设备。

★由于供电厂只能产生正弦形式的功率输出，为了达到这个目的，供电厂必须建设远超出正常消耗的供电设备，以维持用电设备的用电。

理解PF和THD

●为了描述这种电容电感导致的，电流和电压不同步的情况，引入功率因数的定义。

●用电流和电压的相位角之差的余弦值作为功率因数。

★PF大还是小比较好？

总谐波失真（THD）

●非正弦的周期波形能够拆分成傅里叶级数，这样就得到了该周期波形的基波和各次谐波。

●用总谐波失真来表示各次谐波的大小，在供电领域，谐波的大小特指流的大小。

★THD大还是小比较好。

谐波失真的危害

●供电厂产生的电流波形是基波的正弦，而其他高次谐波的波形是供电厂无法产生的，因此供电厂必须使出额外的力气来产生所有的高次谐波，因此THD实际上描述了供电厂必须具备的额外供电能力，或者说做的无效功。

●谐波失真的其他危害还表现在产生了一些高频的信号，这些信号会干扰其他设备，这个干扰可以通过线路传导，也可以通过辐射传播，线路传导称为RFI，辐射传播称为EMI。

总谐波失真的具体计算

●谐波失真描述的是一堆正弦信号，或者说交流信号，交流信号讲究的是有效值，因此必须使用方和根来计算，其公式如下：

★第一步，求出每一个高次谐波和基波的比值；

★第二步，比值求和，理论上H可以取到无穷大，但实际应用中，H不会取很大，一般几十就足够精确了；

★第三步，开方。

谐波失真的图形表示

●总谐波失真代表了供电能力的浪费，而高次谐波的幅度则代表了电磁干扰的强度，因此通常还会使用图标来表示谐波失真，这样可以比较形象的看出谐波失真的电磁干扰危害程度。

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偶次谐波和奇次谐波

●仔细观察可以发现，电流谐波失真图上，偶次谐波的分量几乎为0。

●这个不是偶然，在电力领域，谈到谐波失真，都不需要考虑偶次谐波，只考虑奇次谐波，因为偶次谐波分量可以忽略。

●偶次谐波分量为0的原因在于电流波形总是呈现正负对称的形式，这种对称波形称为奇谐波形，其偶次分量为0，其分析如下：

考虑THD后的PF

●真实应用中，设备往往同时包含电容/电感和有源器件，因此电流波形既表现出和电压正弦的相位差，又表现出非正弦特性，如下图，此时，功率因素的定义为：

小结

●现在可以看到，对用电设备的友好性可以用PF来衡量，很多时候PF和THD是存在关系的，THD越大，PF越低，但THD小不意味着PF高，还要考虑电流相位的影响。

●THD既要小，同时还要在高频处的谐波分量尽量的小，以减少干扰。

PPFC原理及实现思路

●PF低的原因有2个，电容或电感引起的电流相位偏移，有源器件引起的波形失真。

●提高PF的电路称为PFC电路，PFC的思路也是分为2个：

★增加补偿电路，比如负载为电容，就在供电线路上加入电感，这种方法称为无源PFC，常用于只有相位偏移的场合；

★对于开关电源来说，主要的问题是波形失真，因此不能采用无源PFC，只能采用其他方法，这些方法统称为有源PFC。

--有源PFC也分2种，一种是PPFC(被动式PFC)，另一种是APFC(主动式PFC)。

--有时候，将无源PFC也归为被动式，这样PFC分P和A两类，P又包括无源和有源两种。

PPFC电路

●使用一种称为逐流电路的结构可以提高开关电源的PF值。

★注意逐流电路的连接，当VDC比2个电容电压加起来还高时，逐流电路充电，当VDC比2个电容电压并联的电压低时，逐流电路放电，当VDC介于两者之间时，逐流电路既不放电也不充电。

★两个电容相同，因此电容的电压总是会自动保持相等。

逐流电路提高PF值的方法

●假如没有逐流电路，当VACVDC时，二极管才导通，加上逐流电路后，当VAC小于两个电容电压之和时，二极管依然导通，直到VAC小于电容电压，这无形中延长了二极管导通的时间。

★假设VAC为220V，VDC稳定在200V，那么无逐流电路时，只有VAC>200V，二极管才导通，有逐流电路时，VAC>100V，二极管就导通。

逐流电路的叠加

●从前面的分析可以看到，逐流电路是通过二极管环向，使得电容是串联充电，并联放电，串联时数量为2，因此充放电区间的电压落差为2倍。

●如果希望提高逐流电路的PFC效果，可以将电压落差加大，增加到3，甚至4。

APFC原理及实现思路

APFC的原理

●开关电源的波形失真的罪魁祸首是整流桥后面的电容，使用逐流电路后可以缓解这个问题，但不能，而主动式PFC能够这个问题。

●主动式PFC的方法是直接将整流桥后面的电容直接去掉，让输入电流持续。

★光让电流持续还不够，还必须让整流桥后面的部分看起来像一个电阻，使得电流是随着输入电压的变化而变化的。

★因为开关电源在整流桥后面是一个电感负载，电感的电流电压关系为：

★所以开关电源需要控制t，来使得ʃvdt和V成正比。

APFC的形式

●开关电源是通过开关切换来间歇式的将能量传递过去，因此不可能使瞬时电流呈现出一个连续平滑的正弦波形，只能使平均电流波形呈现出正弦波形。

★一共有3种形式的电流波形，对应3种模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

电流平滑

●开关电源只能制造锯齿形的电流，而PFC要求较平滑的电流，否则电流THD会很大，因此，需要在输入端加一个电流低通滤波电路。

★电流滤波使用电感和电容，电感对电流进行平滑，而电容储存能量，应付PFC过程中的电流突变。