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第7章 UPS電路原理與應(yīng)用,7.1 UPS的電路結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn) 7.2 新型UPS變換技術(shù) 7.3 UPS專用免維護(hù)蓄電池 7.4 UPS的性能指標(biāo)與測(cè)試 7.5 大功率UPS干擾原因與抑制方法 7.6 專用電池充電電源設(shè)計(jì) 7.7 UPS功率因數(shù),1,,2,7.1 UPS的電路結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn) 為達(dá)到不間斷供電的基本目的，在技術(shù)比較成熟的各類UPS中，就其主電路結(jié)構(gòu)和不停電供電運(yùn)行機(jī)制方面主要有四大類形式：,后備式 在線互動(dòng)式 雙變換在線式 雙向變換串并聯(lián)補(bǔ)償在線式,3,7.1.1 后備式UPS 后備式UPS是UPS的基本形式，經(jīng)多年發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品都比較成熟。后備式UPS電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7-1所示。,圖7-1 后備式UPS電路結(jié)構(gòu),4,后備式UPS的性能特點(diǎn),(2) 由于輸出有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，對(duì)切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間有所限制，當(dāng)前常用的后備式UPS多在2 kVA以下。,(3) 當(dāng)輸入供電存在時(shí)，效率高，可達(dá)98%以上；輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載電流，UPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；輸出能力強(qiáng)；輸出電壓穩(wěn)定，精度差，但能滿足負(fù)載要求；整機(jī)要靠附加濾波電路提高UPS雙向抗干擾能力。,(4) 當(dāng)輸入供電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般在4 ms左右，可以滿足普通負(fù)載要求。,(1) 電路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。,5,7.1.2 在線互動(dòng)式UPS 在線互動(dòng)式的“在線”的含意是DC/AC變換器一直處于通電工作狀態(tài)，同時(shí)兼顧了對(duì)電池的充電。該方式具有輸入供電掉電時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間短、對(duì)輸出電壓有濾波作用的特點(diǎn)。在線互動(dòng)式UPS電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7-2。,圖7-2 在線互動(dòng)式UPS電路結(jié)構(gòu),6,在線互動(dòng)式UPS的性能特點(diǎn),(2) 逆變器同時(shí)有充電功能，省掉了一般雙變換UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強(qiáng)。當(dāng)要求長(zhǎng)延時(shí)供電時(shí)，無(wú)須再增加機(jī)外充電設(shè)備。,(3) 由于變換器與輸出直接連接在一起，沒(méi)有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的限制，所以輸出功率高。,(4) 當(dāng)輸入供電存在時(shí)，效率可達(dá)98%以上；輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分取決于負(fù)載電流，UPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負(fù)載要求。,(5) 因?yàn)樽儞Q器直接接在輸出端，并且處在熱調(diào)整狀態(tài)，對(duì)輸出電壓尖峰干擾有濾波作用。,(1) 電路稍復(fù)雜，供電連續(xù)性好。,7,為了進(jìn)一步改善在線互動(dòng)式UPS的功能，有的產(chǎn)品在智能調(diào)壓前部串接一個(gè)大電感，目的在于當(dāng)輸入供電掉電時(shí)，通過(guò)串聯(lián)電感對(duì)逆變輸出反饋到電網(wǎng)的電流有很強(qiáng)的抑制作用，避免了輸入未斷開(kāi)時(shí)短路逆變器輸出的危險(xiǎn)，使得逆變器可立即向負(fù)載供電。這樣做可以使在線互動(dòng)式的轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到零，使其完全具備雙變換在線式的轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還增加了整個(gè)UPS的抗干擾能力。,8,7.1.3 雙變換在線式 1．電路各部分功能 大多數(shù)在線式特別是大功率在線式UPS，都采用雙變換電路結(jié)構(gòu)，電路結(jié)構(gòu)如圖7-3所示。,圖7-3 雙變換電路結(jié)構(gòu),9,雙變換在線式UPS的性能特點(diǎn) (1) 不論輸入供電有無(wú)，負(fù)載的全部功率都由變換器供給，所以可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源。 (2) 此類UPS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，如輸出電壓穩(wěn)定精度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真度等，都是比較高的。 (3) 輸入供電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間。 (4) 無(wú)論輸入供電有無(wú)，全部負(fù)載功率都由逆變器供出，但是UPS的功率容量有限，帶負(fù)載能力不理想，所以對(duì)負(fù)載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(shù)(一般只達(dá)到3∶1)、過(guò)載能力、輸出功率因數(shù)(一般為0.8)、輸出有功功率小于標(biāo)定的kAV數(shù)等。,10,(5) 由于變換器Ⅰ為整流電路，對(duì)電網(wǎng)形成電流諧波干擾，輸入功率因數(shù)低，經(jīng)濾波后，最小的諧波電流成分在10%左右，而輸入功率因數(shù)只有0.8左右。 (6) 此類UPS的新產(chǎn)品在變換器Ⅰ中使用了功率因數(shù)校正技術(shù)，可把輸入功率因數(shù)提高到接近1，輸入電流諧波成分也大幅度降低。 (7) 在輸入供電存在時(shí)，由于兩個(gè)變換器都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以整機(jī)效率低，10 kVA以下的UPS為80%左右，50 kAV的可達(dá)85%～90%，100 kAV以上的可達(dá)90%～94%。,11,7.1.4 雙向變換串/并聯(lián)補(bǔ)償在線式 雙向變換串/并聯(lián)補(bǔ)償在線式UPS是雙變換電路結(jié)構(gòu)，在線工作，但由于使用了串/并聯(lián)補(bǔ)償原理，相對(duì)雙變換在線式UPS而言，在適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境、不干擾電網(wǎng)、輸出能力和可靠性等多項(xiàng)主要指標(biāo)方面都有了新的突破，電路結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。,圖7-4 雙向變換串/并聯(lián)補(bǔ)償在線式,12,2．雙向變換串/并聯(lián)補(bǔ)償在線式的性能特點(diǎn) (1) 因?yàn)樽儞Q器Ⅱ隨時(shí)監(jiān)視控制輸出電壓，并通過(guò)變換器Ⅰ參與主回路電壓的調(diào)整，所以不管有無(wú)輸入供電，都可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源。 (2) 該電路輸出電壓穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真等指標(biāo)都是比較高的。輸入供電掉電時(shí)，輸出電壓不受影響，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間。 (3) 當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時(shí)，也由變換器Ⅱ調(diào)整補(bǔ)償?shù)?，是典型的在線工作方式。 (4) 當(dāng)輸入供電存在時(shí)，變換器Ⅰ和變換器Ⅱ只對(duì)輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的20%，所以這種類型的UPS功率容量很小，為輸出功率的1/5左右，功率裕量大，這就極大地增強(qiáng)了UPS的輸出能力。,13,(5) 與雙變換在線式相比，過(guò)載能力增強(qiáng)，可達(dá)200%/1 min, 電流波峰系數(shù)大，可應(yīng)用于沖擊性負(fù)載，輸出有功功率等于標(biāo)定的kAV值。 (6) 變換器Ⅰ同時(shí)具有對(duì)輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。在輸入供電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機(jī)效率在很大的功率范圍內(nèi)都可達(dá)到96%。 (7) 在輸入供電存在的情況下，UPS連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的99%是有輸入供電的，變換器功率強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)值的1/5，所以元器件乃至整機(jī)的壽命和可靠性大幅度提高。,14,盡管UPS技術(shù)發(fā)展很快，但是上述四種結(jié)構(gòu)的UPS均有廣泛應(yīng)用，這種現(xiàn)象是在對(duì)UPS使用要求不斷提高和UPS技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程中形成的，如果從技術(shù)先進(jìn)性、主要性能指標(biāo)(對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力，輸出能力和可靠性)的優(yōu)劣、輸出功率等級(jí)、生產(chǎn)成本、不同的使用場(chǎng)合等方面作一綜合性的比較，可以肯定，雖然這四種類型的UPS將并存下去，但必會(huì)在使用過(guò)程中不斷改進(jìn)技術(shù)，提高性能。,,15,7.2.1 新型UPS電源電路 針對(duì)傳統(tǒng)UPS電路的缺點(diǎn)，本節(jié)提出一種新型UPS電路。與一般UPS電路不同，這種主電路均采用雙向拓?fù)?，其工作原理是? (1) 當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)，輸入電壓一路直接向負(fù)載供電，另一路經(jīng)雙向功率變換器全控整流后再由雙向DC/DC電路降壓，給蓄電池充電。 (2) 當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，旁路開(kāi)關(guān)關(guān)斷，切斷負(fù)載與電網(wǎng)的連接。蓄電池放電，經(jīng)雙向DC/DC電路升壓后，由雙向功率變換器逆變將直流電壓轉(zhuǎn)化成交流電壓，供給負(fù)載。,圖7-5 新型UPS電源系統(tǒng)原理框圖,7.2 新型UPS變換技術(shù),16,圖7-6所示的是新型UPS電源系統(tǒng)的主電路示意圖。VT1～VT8為8個(gè)開(kāi)關(guān)器件IGBT，其中VT1～VT6構(gòu)成三相橋，組成雙向PWM變流器，VT7、VT8為雙向開(kāi)關(guān)，LP、CP組成低通電源濾波器。工作中，由VT7、VT8和電感L、電容C組成的雙向DC/DC電路對(duì)蓄電池進(jìn)行充電和放電；由電流、電壓互感器分別檢測(cè)被控電流、電壓并送入DSP芯片，由DSP處理器經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行運(yùn)算，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)管動(dòng)作。,圖7-6 新型UPS電源系統(tǒng)主電路圖,17,7.2.2 雙向DC/DC變換器的工作原理 雙向DC/DC變換器由電感L、IGBT雙管VT7、VT8組成，如圖7-7所示。該雙向DC/DC電路有升壓和降壓兩種工作模式。,圖7-7 雙向DC/DC變換器電路,18,1．升壓模式 雙向DC/DC電路工作在升壓模式時(shí)，蓄電池E處于放電狀態(tài)。該升壓電路由電感L、VT8和續(xù)流二極管VD7組成，如圖7-8所示。,圖7-8 雙向DC/DC電路的升壓模式,19,在升壓模式下，雙向DC/DC電路又有兩種工作狀態(tài)：,圖7-9 雙向DC/DC升壓模式IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的等效電路,20,2．降壓模式 雙向DC/DC電路工作在降壓模式時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)。該降壓電路由電感L、VT7、續(xù)流二極管VD8組成，如圖7-10所示。,圖7-10 雙向DC/DC電路的降壓模式,21,在降壓模式下，雙向DC/DC電路也有兩種工作狀態(tài)：,22,7.2.3 雙向DC/DC電路主要參數(shù)設(shè)計(jì),,,,23,7.2.4 在線式UPS的控制和保護(hù)技術(shù) 在線式UPS的控制和保護(hù)功能基本上是由CPU的內(nèi)部程序控制完成的。根據(jù)UPS使用要求，在線式UPS的控制和保護(hù)技術(shù)有如下內(nèi)容。 1．基本定義 (1) 輸入供電電壓正常：電壓在160～280 V之間，視為電壓輸入正常。 (2) 輸入供電頻率正常：輸入供電頻率在47～53 Hz之間，且頻率變化率小于1 Hz/s，視為輸入供電頻率正常。 (3) 輸入供電逆變狀態(tài)：輸入供電輸入正常，UPS工作在AC→DC→AC時(shí)的狀態(tài)。,24,(4) 電池逆變狀態(tài)：輸入供電異常，UPS工作在BATTERY→AC時(shí)的狀態(tài)。 (5) CPU交流電壓取樣信號(hào)：交流電壓經(jīng)分壓、隔直、全波整流、限幅后，供給CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。UPS上有輸入供電電壓取樣信號(hào)和逆變電壓取樣信號(hào)兩部分電路。 (6) 零點(diǎn)發(fā)生器：交流正弦波經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的交流差動(dòng)放大器，變成方波信號(hào)，再經(jīng)濾除高頻諧波和限幅后，送給CPU。CPU通過(guò)對(duì)方波下降沿(對(duì)應(yīng)正弦波的過(guò)零點(diǎn))的檢測(cè)，計(jì)算出正弦波的頻率和相位。UPS有輸入供電零點(diǎn)發(fā)生器和逆變零點(diǎn)發(fā)生器兩部分電路。 (7) BUS電壓：BUS電壓是指供給逆變器的直流電壓，UPS有正、負(fù)兩路BUS電壓，其正常值為400 V。,25,7.3.1 免維護(hù)蓄電池的工作原理與應(yīng)用 免維護(hù)蓄電池的工作原理基本上仍沿襲傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池: ① 它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)， ② 負(fù)極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛(Pb)， ③ 電解液是稀硫酸(H2SO4). 免維護(hù)蓄電池在結(jié)構(gòu)、材料上做了重要改進(jìn)，正極板采用鉛鈣合金或鉛錫合金、低銻合金，負(fù)極板采用鉛鈣合金，隔板為超細(xì)玻璃纖維，并采用緊裝配和貧液設(shè)計(jì)工藝技術(shù)，整個(gè)蓄電池的化學(xué)反應(yīng)在密封塑料蓄電池殼內(nèi)進(jìn)行，出氣孔上加上單向的安全閥。,7.3 UPS專用免維護(hù)蓄電池,26,蓄電池在規(guī)定充電電壓下進(jìn)行充電時(shí)，正極析出的氧(O2)可通過(guò)隔板通道傳送到負(fù)極板表面，還原為水(H2O)。其反應(yīng)式如下： 正極：2H2O→O2 + 4H+ + 4e 負(fù)極：2H+ + 2e→H2↑ 2PbO + 2H2SO4→2PbSO4 + 2H2O 在充電過(guò)程中，電解液中的水幾乎不損失，使蓄電池在使用過(guò)程中達(dá)到不需加水的目的。經(jīng)過(guò)了上述的改進(jìn)，免維護(hù)蓄電池與普通蓄電池相比具有體積小、重量輕、自放電小、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)、使用方便、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)良特性。,27,免維護(hù)蓄電池在使用、維護(hù)和管理上有著以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 使用方便。免維護(hù)蓄電池只需嚴(yán)格控制充電電壓，根據(jù)浮充使用和循環(huán)使用的不同要求，采用規(guī)定的電壓進(jìn)行恒壓充電，無(wú)需值班人員過(guò)多關(guān)注蓄電池組的充電過(guò)程，不需添加蒸餾水，也不必經(jīng)常檢測(cè)電解液的比重及溫度，只需定期檢測(cè)蓄電池端壓和放電容量。 (2) 安裝簡(jiǎn)便。免維護(hù)蓄電池已經(jīng)進(jìn)行過(guò)充放電處理，為荷電出廠，所以用戶在安裝和使用時(shí)，無(wú)需再進(jìn)行煩瑣的初充電過(guò)程。 (3) 安全可靠。免維護(hù)蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，可豎放或臥放使用，無(wú)酸霧，無(wú)有毒、有害氣體溢出。由于蓄電池采用恒壓充電制，蓄電池內(nèi)部實(shí)現(xiàn)氧循環(huán)過(guò)程，水損失很少，即使偶爾過(guò)充少量的氣體可通過(guò)安全閥向外排出，蓄電池殼不至于因壓力過(guò)大而爆裂。,28,盡管免維護(hù)鉛酸蓄電池的生產(chǎn)廠家采取各種辦法極力減少氫氣和氧氣的析出，使它們盡量消化在電池內(nèi)部，但是絕對(duì)控制氫氣和氧氣的析出是不可能的。從這方面說(shuō)，全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池不是免維護(hù)而是少維護(hù)。因此在使用中應(yīng)遵循下列原則： (1) 密封鉛酸蓄電池允許在 －15℃～50℃的溫度范圍內(nèi)使用，但在5℃～35℃范圍內(nèi)使用可延長(zhǎng)蓄電池壽命，在20℃～25℃范圍內(nèi)使用是最理想的推薦環(huán)境，將獲得最高的工作壽命。 (2) 每節(jié)2 V的免維護(hù)蓄電池的浮充電壓為2.3 V，12 V蓄電池的浮充電壓為13.8 V。相對(duì)于2 V的蓄電池，單節(jié)蓄電池放電終止電壓在滿負(fù)荷情況下為1.67 V，在低放電率情況下要升高至1.7～1.8 V。,29,(3) 蓄電池安裝場(chǎng)地應(yīng)保證通風(fēng)，避免陽(yáng)光直射，環(huán)境溫度不宜過(guò)高或過(guò)低，最好在20℃～25℃之間。定期對(duì)蓄電池進(jìn)行檢查，如有性能異常，池殼、蓋子龜裂或變形等損傷及漏液發(fā)生時(shí)，要及時(shí)更換。 (4) 長(zhǎng)時(shí)間存放的蓄電池要每隔2～3個(gè)月人為地將UPS電源輸入端斷開(kāi)一次，效仿輸入供電中斷，再觀察蓄電池放電時(shí)間是否足夠。若不足時(shí)，則可考慮更換蓄電池，以保持當(dāng)電源中斷時(shí)能有足夠的放電時(shí)間。 (5) 免維護(hù)蓄電池都配有安全閥，當(dāng)蓄電池內(nèi)部氣壓升高到一定程度時(shí)，安全閥可自動(dòng)打開(kāi)排除過(guò)剩氣體，在內(nèi)部氣壓恢復(fù)時(shí)安全閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。免維護(hù)蓄電池意味著可以不用加液，但定期檢查外殼有無(wú)裂縫、電解液有無(wú)滲漏等仍是必要的。閥控式密封鉛酸蓄電池的安全閥在排氣栓下面。禁止拆下安全閥和排氣栓；否則有造成蓄電池性能降低、壽命劣化或破損的危險(xiǎn)。,30,(6) 蓄電池的周期壽命即充放電次數(shù)取決于放電率、放電深度和恢復(fù)性充電的方式。其中最重要的因素是放電深度，在放電率和時(shí)間一定時(shí)，放電深度越淺，蓄電池周期壽命越長(zhǎng)。嚴(yán)禁蓄電池過(guò)度放電，如小電流放電至自動(dòng)關(guān)機(jī)，人為調(diào)低蓄電池最低保護(hù)值等，均可能造成蓄電池過(guò)度放電。 (7) 要定期檢查蓄電池的端電壓和內(nèi)阻，及時(shí)發(fā)現(xiàn)“落后”電池，以進(jìn)行個(gè)別處理。,31,7.3.2 利用雙向DC/DC電路實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電 在UPS設(shè)計(jì)中，直流母線電壓Ud是一個(gè)重要數(shù)據(jù)，因?yàn)閁d值的高低將影響到整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)。 Problem： 從減小電路饋電損耗和分布電感的影響出發(fā)，希望在功率器件電壓值允許的條件下盡可能提高Ud值，即采取高電壓低電流的設(shè)計(jì)；但從減少電池串聯(lián)個(gè)數(shù)，提高功率密度，降低電源成本的角度出發(fā)，則希望盡可能地降低Ud值。因此將蓄電池直接與直流母線連接的方案很難達(dá)到設(shè)計(jì)的優(yōu)化。 Solution： 由電感L、開(kāi)關(guān)管IGBT及其反并二極管VD組成的雙向DC/DC電路可以有效地解決這一問(wèn)題。,32,1．蓄電池放電電路 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，蓄電池放電，雙向DC/DC變流器工作在升壓模式。由L、VT、VD組成一個(gè)Boost升壓電路，通過(guò)調(diào)整VT的占空比可以將較低的蓄電池電壓E升壓到逆變器所需要的較高的直流母線電壓Ud，如此可以減少蓄電池串聯(lián)個(gè)數(shù)，從而降低成本。蓄電池放電電路原理圖如圖7-12所示。,圖7-12 蓄電池放電電路原理圖,33,2．蓄電池充電電路 當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，雙向DC/DC變流器工作在降壓模式。由L、VT、VD組成Buck降壓電路，通過(guò)調(diào)整VT的占空比，可以將較高的直流母線電壓Ud降壓到蓄電池允許的較低的充電電壓E，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電。蓄電池充電電路原理圖如圖7-13所示。,圖7-13 蓄電池充電電路原理圖,,34,7.4 UPS的性能指標(biāo)與測(cè)試,,35,7.5 大功率UPS干擾原因與抑制方法 7.5.1 UPS干擾來(lái)源 有用信號(hào)以外的其他任何電流或電壓都是干擾信號(hào)或噪聲。除電子元件本身固有的噪聲外，組成電子設(shè)備的各部件之間的信號(hào)都可通過(guò)電場(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合、傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合等方式形成相互干擾。 開(kāi)關(guān)型電能變換器中開(kāi)關(guān)元件的通斷使得電路中的電流、電壓產(chǎn)生周期性突變，這些周期性的脈沖信號(hào)也可通過(guò)上述各種耦合方式形成電磁干擾。,36,UPS電源是開(kāi)關(guān)工作方式的電能變換器，采用SPWM逆變而產(chǎn)生50 Hz交流電。UPS的噪聲主要由于逆變回路中電流、電壓的突變而產(chǎn)生，突變的電流、電壓又通過(guò)電、磁場(chǎng)等傳播到其他部分。 傳導(dǎo)干擾通過(guò)阻抗耦合或接地回路將干擾帶入其他電路，其傳播的路程可以很遠(yuǎn)。 差模干擾和共模干擾是主要的傳導(dǎo)干擾形態(tài)。 逆變電源中的差模干擾主要是由開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作產(chǎn)生，其大小主要與直流濾波電容的寄生電抗有關(guān)系；共模干擾與位移電流相關(guān)，其大小與電路的雜散參數(shù)有關(guān)，很大程度上決定于電源設(shè)備中各元件尺寸、位置等因數(shù)的影響。,37,1．輸入差模干擾 圖7-14中逆變電路工作在高頻開(kāi)關(guān)方式，通過(guò)開(kāi)關(guān)管VT1～VT4的高頻脈沖電流在輸入端產(chǎn)生高頻脈沖電壓，疊加在輸入的直流電壓總線上，形成輸入端差模干擾。 2．共模干擾,圖7-14 逆變器主電路原理圖,38,3．UPS諧波分析 UPS屬于整流濾波型負(fù)載，工作時(shí)將向供電電網(wǎng)大量反射其頻率高于50 Hz的正弦波的諧波電流，從而造成原來(lái)從發(fā)電廠向用戶所饋送的純正的正弦波電源發(fā)生畸變。有關(guān)諧波電流對(duì)電網(wǎng)造成“污染”的不利影響見(jiàn)表7-2所示。,39,由表分析，出現(xiàn)在輸入供電電網(wǎng)上的諧波電流分量多種多樣，按其對(duì)電網(wǎng)的“污染”及后接負(fù)載的影響將其分為三類： (1) 正序電流：與50 Hz基波分量相似，不同的是由于諧波分量的提高和趨膚效應(yīng)的加重而產(chǎn)生的高頻損耗將加大。 (2) 負(fù)序電流：企圖迫使位于電網(wǎng)上的電動(dòng)機(jī)負(fù)載向反方向旋轉(zhuǎn)，造成電機(jī)類負(fù)載異常發(fā)熱。 (3) 零序電流：導(dǎo)致流過(guò)輸入供電電網(wǎng)的中線電流異常增大，引起導(dǎo)線傳導(dǎo)損耗增加和導(dǎo)線發(fā)熱。,40,7.5.2 抗干擾措施 1．干擾電平超標(biāo)的原因 2．抑制干擾的有效方法,,41,7.6 專用電池充電電源設(shè)計(jì) 7.6.1 電路組成及工作機(jī)理 高頻開(kāi)關(guān)電源工作原理如圖7-15所示。該系統(tǒng)包括電網(wǎng)濾波電路、整流濾波器、半橋逆變器、高頻變壓器、高頻整流器、LC濾波等。半橋逆變器中的功率開(kāi)關(guān)管采用IGBT，具有輸入阻抗高、電壓驅(qū)動(dòng)控制、容量大、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。,圖7-15 高頻開(kāi)關(guān)電源原理圖,42,7.6.2 PWM控制器電路 PWM控制器電路的核心是采用專用集成芯片TL494，原理見(jiàn)圖7-16所示。通過(guò)設(shè)計(jì)的外接電路，不但可以產(chǎn)生PWM信號(hào)輸出，而且還有多種保護(hù)功能。TL494含有振蕩器、誤差放大器、PWM比較器及輸出級(jí)電路等部分。OSC振蕩頻率由外接元件R、C決定，表達(dá)式為,(7-12),,圖7-16 TL494接線圖,43,IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，本電路選用了具有降柵壓邏輯式和軟關(guān)斷兩種保護(hù)功能的IGBT厚膜混合集成驅(qū)動(dòng)模塊EXB840。 這種型號(hào)的電路較好地解決了低飽和壓降的IGBT短路保護(hù)問(wèn)題，能滿足IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的特殊要求，保證IGBT能可靠開(kāi)通和關(guān)斷，且電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，輸入控制信號(hào)電流為10 mA。以EXB840為核心構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路中，驅(qū)動(dòng)模塊EXB840的電源為 +20 V，在模塊內(nèi)部將20 V電壓變換為 +15 V和 -5 V兩種電壓，供IGBT柵、射極導(dǎo)通時(shí)所需正偏電壓和關(guān)斷時(shí)所需的負(fù)偏壓。TL494輸出的PWM脈沖從9腳或10腳送至EXB840的15腳。EXB840驅(qū)動(dòng)模塊從3腳和1腳輸出正、負(fù)驅(qū)動(dòng)脈沖至IGBT的柵、射極之間，開(kāi)通和關(guān)斷IGBT。,44,7.6.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 監(jiān)控電路是以8098單片機(jī)為核心的控制器，具有體積小、重量輕、功率大、智能度高、輸出電壓可自動(dòng)調(diào)整等特點(diǎn)。監(jiān)控電路的功能是監(jiān)控系統(tǒng)高頻開(kāi)關(guān)電源的工作狀況并進(jìn)行智能管理，包括電壓調(diào)整、電池檢測(cè)、模塊限流、故障判斷及報(bào)警、參數(shù)及狀態(tài)顯示等，同時(shí)可通過(guò)串行口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。,圖7-17 監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖,45,7.6.4 通信功能 通信功能主要利用8098單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)傳輸口功能來(lái)保證遠(yuǎn)程控制。 軟件運(yùn)行時(shí)對(duì)串行口初始檢測(cè)，若有數(shù)據(jù)中斷，判斷為上位機(jī)通信請(qǐng)求則發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，然后根據(jù)上位機(jī)的控制字，先接受數(shù)據(jù)，將上位機(jī)發(fā)來(lái)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)作奇偶校驗(yàn)后傳入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置單元，程序運(yùn)行后再由軟件刷新設(shè)定值。發(fā)送時(shí)，將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電池電壓、充電電流、電池溫升等數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送。 為防止受到干擾，在上位機(jī)和單片機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)除作奇偶校驗(yàn)外，還規(guī)定了若干種限制，以保證通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。例如，在通信數(shù)據(jù)中添加有特定的限制字符；上、下位機(jī)中的軟件要對(duì)傳輸數(shù)據(jù)作統(tǒng)一的上下限幅，一旦發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)越限，即認(rèn)定傳輸數(shù)據(jù)無(wú)效。在編制接收程序時(shí)應(yīng)注意處理接收時(shí)間的溢出，以適應(yīng)上位機(jī)與下位機(jī)速度不匹配的條件。,,46,7.7 UPS功率因數(shù),,,,,,47,