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深入剖析UPS電源整流器的工作原理

作者: 時間:2016-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

現(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種,降壓型主要用于UPS電池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況,而升壓型主要用于池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/327313.htm

  一、 輸入配電系統(tǒng)

  在數(shù)據(jù)中心的UPS供電系統(tǒng)中,輸入電路一個最重要的指標就是輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)低會造成成下面的不利影響:

  (1) 導致輸入供電線路上各環(huán)節(jié)的早期老畫

  輸入功率因數(shù)低的原因是輸入諧波電流成分含量大,諧波電流經(jīng)過輸入電纜時,使電纜產(chǎn)生附加發(fā)熱量,導致電纜外皮材料長期發(fā)熱、變軟、變脆、變酥、變碎;諧波電流經(jīng)過輸入斷路器(開關(guān))時,開關(guān)出點由于長期發(fā)熱而導致接觸不良,一個正反饋的效應(yīng)是開關(guān)過早時效;諧波電流經(jīng)過輸入保險絲時,由于長期的附加發(fā)熱而導致熔絲變軟、下垂(使整個保險絲粗細變得不均與)、自然斷裂而引起斷電。

  (2) 不能充分利用輸入功率

  由于輸入功率中含有大量的無功分量,有功功率被吸收,無功功率在電纜中往復流動,使正常的有效電流通道變窄,由于線路的“擁擠”而使單位截面積傷的電流密度加大,功耗加大。根據(jù)歐姆定律。導線上的功耗P為

  P=I2R

  由上式可以看出,線路上的功耗和電流I的平方值成正比,與導線的電阻R成正比,而發(fā)熱量又是功耗P和時間T的函數(shù),即

  Q=0.24Pt

  這樣一個長期效應(yīng)造成了電力的浪費。

  (3) 對供電電網(wǎng)產(chǎn)生干擾

  輸入電路是可控硅(閘流管)整流器時,由于可控硅的開啟往往伴隨著高壓電和大電流,不但破壞了輸入電壓波形,而且還形成很強的傳到干擾和輻射干擾,應(yīng)系那個了同一線路上其他用電設(shè)備的正常運行。

  (4) 使前置發(fā)電機的裝機功率成幾倍增大

  輸入功率因數(shù)低(一般未經(jīng)補償?shù)闹禐楣β视脝蜗喽O管整流器的0.6,較大功率用三相可控硅全波整流——6脈沖整流的0.8),可導致前置發(fā)電機的裝機功率至少3倍于UPS的額定功率。

  二、工頻整流器與高頻整流器

  由前面的討論可以看出,UPS輸入功率因數(shù)低的主要原因在于輸入部分的電路結(jié)構(gòu)和工作方式?,F(xiàn)代的整流充電器分降壓型和升壓型兩種,降壓型主要用于池組電壓低于輸入交流峰值電壓一定值的情況,而升壓型主要用于池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。

  1. 工頻降壓整流器

  降壓整流器有工頻和高頻之分,而工頻又有穩(wěn)壓和不穩(wěn)壓之分。下面以UPS中應(yīng)用最廣的穩(wěn)壓工頻電路為例進行討論。一般采用三相整流,是因為三相整流的脈動系數(shù)和紋波系數(shù)都低。一個三相可控硅全橋整流電路中用了6只可控硅整流器,需要6個脈沖進行分別控制,也俗稱其為6脈沖整流。三相全橋整流電路是按線電壓工作的,在市電為額定值380V/220V時的最高整數(shù)流出電壓可達到

  UDC=380V×√2=537V

  一般電池組額定電壓為12V×32只=384V的浮充電壓(約438V)已足夠了。由于這種電路是按照市電的頻率(所謂工頻)節(jié)奏而工作的,成為工頻整流器。由于可控硅的電流容量和耐壓都可以做的很高,因此它在中大功率傳統(tǒng)雙變換UPS中得到了廣泛的應(yīng)用。又由于這種電路整流器件的開啟(相位)是可控的,因此它就具有了輸出穩(wěn)壓的功能。但這個輸出穩(wěn)壓的功能不能作為輸入市電大范圍變化的根據(jù),原因是可控硅存在著在一定條件下失控的隱患。

  例如,一個電池組額定電壓為384V,在正常情況下的浮充電壓低于440V,如果認為及時是電線電壓額定值Un上升到135%Un時也可保證整流電壓低于450V,就可把這時的輸入電壓(135%Un)作為改UPS的優(yōu)點提供給用戶,就會給用戶的使用埋下隱患。當然,按照相控原理,即使輸入市電電壓上升到150%Un,在正常情況下也可使電池浮充電壓穩(wěn)定在440V以下,但萬一在135%Un時可控硅失控,這時可控硅整流器就變成了普通二極管整流器,此時的輸出整流電壓UDC就變成了

  UDC=380V×1.35×√2=725V

  這時就出現(xiàn)了兩個危險情況:一種情況是,整流器后面的濾波電容是否可耐此高壓,否則必炸無疑;另一種情況是,原來12V一節(jié)的電池,現(xiàn)在變?yōu)槊抗?jié)電壓UB=725/32=2.6V,這就意味著電池也因此而報廢!甚至還會帶來其他的危險,如因電池炸裂而噴出的硫酸傷人和傷物。

  另一方面,由于6脈沖整流電路的工作是脈沖式的,對市電輸入電壓博興的破壞作用非常顯著,使輸入電流諧波成分達到30%以上,輸入功率因數(shù)僅為0.8左右,為了實現(xiàn)“綠色”電源的目標,還必須進行功率因數(shù)校正。

  采用普通二極管的整流器就不具備穩(wěn)壓功能,它一般用于小功率UPS電路中,充電器另外設(shè)置。

  2. 高頻降壓整流器

  在一般小功率UPS電源中,為了簡化電路的復雜程度而采用了二極管整流器,但二極管整流器無穩(wěn)壓功能,為了濾波電容和逆變器的安全,有的采用了BUCK型高頻降壓整流器。

  BUCK(降壓)型高頻降壓整流器工作原理:

  控制信號以高頻脈沖(一般式20kHz的固定脈沖寬度)

  加到開關(guān)功率管的控制極,當一個控制脈沖到來時,VT打開,電流由整流器二極管經(jīng)VT流向負載和濾波電容,這是電感L儲能;控制信號結(jié)束后,VT截至,電感L產(chǎn)生的反電勢繼續(xù)維持原來的電流流向?qū)⒋迥茚尫?,其路徑是:Lb→C、R→VD→La,使輸入形成連續(xù)的電流。電感上的能量釋放完或達到一定程度后,功率管又被下一個觸發(fā)脈沖打開,再重復上面的過程。這個電路的有點是簡單,送到負載的電流是連續(xù)的,但輸入電流仍然是脈動的。



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