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深入剖析UPS電源整流器的工作原理

鉅大LARGE  |  點擊量:2102次  |  2019年11月07日  

現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UpS電池組電壓高于輸入交流峰值電壓的情況。


一、輸入配電系統


在數據中心的UpS供電系統中,輸入電路一個最重要的指標就是輸入功率因數。輸入功率因數低會造成成下面的不利影響:


(1)導致輸入供電線路上各環節的早期老畫


輸入功率因數低的原因是輸入諧波電流成分含量大,諧波電流經過輸入電纜時,使電纜產生附加發熱量,導致電纜外皮材料長期發熱、變軟、變脆、變酥、變碎;諧波電流經過輸入斷路器(開關)時,開關出點由于長期發熱而導致接觸不良,一個正反饋的效應是開關過早時效;諧波電流經過輸入保險絲時,由于長期的附加發熱而導致熔絲變軟、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,而發熱量又是功耗p和時間T的函數,即


Q=0.24pt


這樣一個長期效應造成了電力的浪費。


(3)對供電電網產生干擾


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,應系那個了同一線路上其他用電設備的正常運行。


(4)使前置發電機的裝機功率成幾倍增大


輸入功率因數低(一般未經補償的值為功率用單相二極管整流器的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輸入功率因數低的主要原因在于輸入部分的電路結構和工作方式。現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UpS電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,而工頻又有穩壓和不穩壓之分。下面以UpS中應用最廣的穩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和紋波系數都低。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雙變換UpS中得到了廣泛的應用。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壓的功能。但這個輸出穩壓的功能不能作為輸入市電大范圍變化的根據,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一節的電池,現在變為每節電壓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,輸入功率因數僅為0.8左右,為了實現“綠色”電源的目標,還必須進行功率因數校正。


采用普通二極管的整流器就不具備穩壓功能,它一般用于小功率UpS電路中,充電器另外設置。


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VT流向負載和濾波電容,這是電感L儲能;控制信號結束后,VT截至,電感L產生的反電勢繼續維持原來的電流流向將村能釋放,其路徑是:Lb→C、R→VD→La,使輸入形成連續的電流。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的,但輸入電流仍然是脈動的。

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