第二章UPS的基本電路和基本知識(shí)

1、第二章 UPS的基本電路和工作原理第一節(jié) 整流器/充電器的基本概念 在傳統(tǒng)雙變換UPS中，輸入電路的第一個(gè)環(huán)節(jié)就是整流器/充電器。小功率的整流器和充電器是分開的，中大功率時(shí)，由于用了可控硅，整流器和充電器則大都合在了一起。不論是分還是合，二者的關(guān)系和作用有時(shí)是分不開的。作為現(xiàn)代UPS維護(hù)和使用的工程技術(shù)人員了解一些這方面的電路知識(shí)是很有必要的。一、 單相半波、全波和橋式整流 由于絕大部分IT設(shè)備電路的工作電壓都要求是平滑的直流電壓，所以要把交流市電經(jīng)整流器變換成直流輸出，再由PWM電路或其他電路變換成需要的直流電壓。所以掌握整流器中電流的流向和一般知識(shí)，知道幾種整流方式的區(qū)別及特點(diǎn)，對(duì)于正確使

2、用UPS和判斷故障是很有幫助的。 （1）單相半波整流濾波 圖2-1所示是單相半波整流濾波電路原理圖，（a）是電路原理圖，（b）是整流波形圖。由于整流器具有單向通導(dǎo)的特性，所以輸入電壓U1經(jīng)整流器VD整流后就變成了單向脈動(dòng)波UO，而輸入的負(fù)半周被隔離掉。一般整流器后面都有電容濾波器，如圖2-1（a）中的C，將脈動(dòng)波變成直流波UC，如圖2-1（b）所示。U1U1 VD UO C R UO UC0 UC t （a）電路原理圖 （b）整流波形圖 圖2-1 單相半波整流濾波電路原理圖 在有些情況下，由于某種原因?qū)㈦娙輷p壞，而電容上的標(biāo)稱值又看不清楚，就無(wú)法進(jìn)行更換。在此情況下如何選擇C的電容量就成了首要

3、問題。這里可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的方法計(jì)算，即一般要求在放電結(jié)束時(shí)的那一點(diǎn)上，電容上電壓下降不超過5%，根據(jù)電容放電公式： UC = UC0e- t/t （2-1） 式中： UC 為在放電時(shí)間結(jié)束時(shí)那一點(diǎn)的瞬時(shí)電壓 UC0 放電開始時(shí)的電壓 t 放電時(shí)間，在半波整流時(shí)為 >10ms的值 t 放電時(shí)間常數(shù)，t = C（F）R（），單位是“s”將式（2-1）改寫成： - t/t = Ln（UC / UC0） （2-2） 按照上面的要求，為了便于計(jì)算，設(shè)放電到10ms時(shí)，應(yīng)當(dāng)UC =0.95 UC0，代入這些數(shù)據(jù)后，上式就變?yōu)椋?t = - t/ Ln（UC / UC0）= -10´10-

4、3/ Ln0.95=19.5´10- 3 (s)即 CR =19.5´10- 3 (s)，整流濾波電源的容量定了，那么負(fù)載電阻R也就定了，設(shè)R=10（），于是電容量就是 C = 19.5´10- 3 /10 = 1950（mF） 可取標(biāo)稱值2000（mF）或2200（mF）的電容替換。 （2）單相全波整流濾波 單相半波整流一般都用于小功率的情況。當(dāng)功率稍微增大時(shí)就必須用全波流。圖2-2（a）所示為單相全波整流電路原理圖，圖（b）是它的整流波形圖。從圖中可以看出，這是兩個(gè)單相半波整流器的組合。需要指出的是，有時(shí)這種整流器前面加了變壓器，目的是使次級(jí)電壓可以根據(jù)設(shè)計(jì)的

5、要求隨意變化。 L VD1 Uo U1N1 I1 U1 U2´2 N2´2 C R U o UC0 UC VD2 t （a）原理圖 （b）波形圖 圖2-2 單相全波整流電路原理圖 往往有的情況下將小功率變壓器燒壞了，而一般機(jī)器內(nèi)的變壓器由于是非標(biāo)準(zhǔn)件，并不給出它的繞制參數(shù)，因而使用戶無(wú)從下手。遇有這種情況就可以自己動(dòng)手另外繞制一個(gè)變壓器來(lái)代替。下面就給出一個(gè)簡(jiǎn)單決定匝數(shù)的方法，當(dāng)然具體繞制時(shí)還有很多技術(shù)問題，在此就不一一討論了。首先看一下變壓器初級(jí)和次級(jí)之間的關(guān)系。U1 、I1 是初級(jí)電壓、電流，N1是變壓器初級(jí)匝數(shù)；而U2 I2是次級(jí)電壓電流，N2是變壓器次級(jí)一半匝數(shù)。在

6、一個(gè)變壓器磁路中，初次級(jí)繞組通過同一個(gè)安匝數(shù)的磁通，即， I1 N1 = I2 N2或?qū)懗?I1 / I2 = N2/ N1 （2-3） 由式（2-3）可以看出：變壓器初次級(jí)間的電流比等于其匝數(shù)的反比；又根據(jù)能量守衡定律， I1 U1 = I2 U2 （2-4） 得出 I1 / I2 = U2/ U1 （2-5） 所以 U1/ U2= N1 / N2 （2-6） 因此，變壓器初次級(jí)間的電流比等于其電壓的反比；而變壓器初次級(jí)間的電壓比等于其匝數(shù)的比。這樣一來(lái)，只要知道變壓器次級(jí)電壓U2就可算出這個(gè)變壓器的匝數(shù)比了。因?yàn)榇渭?jí)電壓和整流濾波后的直流電壓值是一個(gè)的關(guān)系，而直流電壓值從隨機(jī)的UPS電路圖

7、上就可查出。至于電流的大小可不用考慮，就用原來(lái)的鐵芯，按照算出的匝數(shù)，選擇適當(dāng)粗細(xì)的漆包線將鐵心窗口占滿即可。 （3）單相橋式整流濾波 圖2-3所示是單相橋式整流電路原理圖。這個(gè)整流器的工作和前二者不同，前二者的電流在每個(gè)半波時(shí)只流過一只整流二極管，而這里每半波的電流卻要流過兩只整流二極管。全波整流器雖然只用了兩只二極管，而卻多用了一組變壓器繞組。單相橋式整流電路雖然多用了兩只二極管，卻少用了一組變壓器繞組。因此，看起來(lái)后兩個(gè)電路都是輸出全波，但由于結(jié)構(gòu)上不同，因此都各有自己的使用場(chǎng)合，應(yīng)視實(shí)際情況而定。 不過二者濾波電容容量的計(jì)算原則卻是一樣的，可以根據(jù)式（2-2）來(lái)求取。整流濾波器的輸出電

8、壓都是向交流電壓的峰值看齊，在以后的討論中不管是幾相整流，其輸出電壓都遵循這個(gè)原則。 L VD1 Uo VD4 VD2 C R N VD3 圖2-3 單相橋式整流電路原理圖 二、 三相半波、橋式（全波）整流及6脈沖整流 （1）三相半波整流 當(dāng)功率進(jìn)一步增加或由于其它原因要求多相整流時(shí)，三相整流電路就被提了出來(lái)。圖2-4所示就是三相半波整流電路原理圖。在這個(gè)電路中，三相中的每一相都和中線單獨(dú)形成了半波整流電路，即相當(dāng)于圖2-1 中3個(gè)電路的組合，其整流出的3個(gè)半波電壓UA VD1 UB VD2UC VD3 C R N 圖2-4 三相半波整流電路原理圖在時(shí)間上依次相差120°疊加,并且整

9、流波形不過0點(diǎn)，其最低點(diǎn)電壓是： Umin =UPsin½（180°-120°）= ½UP 式中UP是交流輸入電壓幅值。并且在一個(gè)周期中有三個(gè)寬度為120°的整流半波。因此它的濾波電容器的容量可以比單相半波整流和單相全波整流時(shí)的容量都小。 （2）三相橋式（全波）整流圖2-5所示是三相全波整流電路原理圖。圖2-6是整流波形圖。圖（a）是三相交流電壓波形，圖（b）是三相半波整流波形圖，圖（c）是三相全波整流波形圖。在輸出波形圖中，MN粗平直虛線是整流濾波后的平均輸出電壓值，虛線以下和各正弦波的交點(diǎn)以上（細(xì)虛線以上）的小脈動(dòng)波是整流后未經(jīng)濾波的輸出電

10、壓波形。由圖2-4和圖2-5中可以看出，三相半波整流電路和三相全波整流電路的結(jié)構(gòu)是有區(qū)別的。 Uo UA VD1 VD2 VD3 UB C R UC VD4 VD5 VD6 圖2-23 三相橋式整流電路原理圖 三相半波整流電路只有三個(gè)整流二極管，而三相全波整流電路中卻有6只整流二極管。 三相半波整流電路需要輸入電源的中線，而三相全波整流電路則不需要輸入電源的中線。 UA UB UC UA UB UC UA （a）三相交流電壓波形 M N （b）三相半波整流電壓波形Ud M N t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 （c）三相全波整流電壓波形 圖2-6 三相全波整流

11、波形圖 從圖2-6中可以看出，三相半波整流波形和三相全波整流波形的區(qū)別如下。 三相半波整流波形的脈動(dòng)周期120°，而三相全波整流波形的脈動(dòng)周期是60°。 三相半波整流波形的脈動(dòng)幅度和輸出電壓平均值。 三相半波整流波形的脈動(dòng)幅度是： U=UP（1-sin30°） （2-7） 式中： U 是脈動(dòng)幅度電壓，UP是正弦半波幅值電壓，比如有效值為380V的線電 壓，其半波幅值電壓為： UP = 380V ´ »532V （2-8） 那么其脈動(dòng)幅度電壓就是：U = 532V（1-sin30°）» 266V 輸出電壓平均值Ud是從30&#

12、186;150°積分得到， （2-9） 式中Ud是輸出電壓平均值，UA是相電壓有效值。 如果濾波后再經(jīng)電容濾波，則輸出電壓就接近于幅值UP。 三相全波整流波形的脈動(dòng)幅度和輸出電壓平均值 三相全波整流波形的脈動(dòng)幅度是： U = UP（1-Sin60°）= 532V´0.134 = 71.3V輸出電壓平均值Ud是從60°120°積分得： （2-10）式中Ud是輸出電壓平均值，UAB是線電壓有效值。 如果濾波后再經(jīng)電容濾波，則輸出電壓就接近于幅值UP。 從上面的計(jì)算還可以看出，三相全波整流比三相半波整流優(yōu)越得多，三相全波整流用比半波整流小得多的電容器

13、就可以達(dá)到最大值UP。因此，UPS的輸入整流器中都采用了三相全波整流電路。 （3）三相6脈沖整流 上面介紹的三相全波整流是不穩(wěn)壓的，因此在UPS中都用可控硅整流器（簡(jiǎn)稱可控硅）代替二極管整流器，如圖2-7所示。 Uo UA VS1 VS2 VS3 UB C R UC VS4 VS5 VS6 圖2-7 三相橋式6脈沖全控整流電路原理圖圖中的可控硅整流器VS和二極管整流器VD的工作方式有很大區(qū)別。 1. 二極管整流器VD 陽(yáng)極和陰極之間的正向電壓只要大于其PN結(jié)的勢(shì)壘電壓，二極管就導(dǎo)通。而可控硅整流器VS在其控制極沒有加上觸發(fā)信號(hào)時(shí)，只要其陽(yáng)極和陰極之間的正向電壓不大到把管子擊穿，它就不導(dǎo)通。 2

14、. 可控硅整流器VS 的導(dǎo)通條件如下。 陽(yáng)極和陰極之間的正向電壓 對(duì)于二極管整流器來(lái)說(shuō)，這個(gè)電壓只要在0.7V左右時(shí)就開始導(dǎo)通了，但可控硅整流器則需要在6V以上。 控制極觸發(fā)信號(hào)電壓。 可控硅一般都用脈沖觸發(fā)，要求這個(gè)電壓脈沖要有一定的幅度和寬度。沒有一定的幅度就不能抵消PN結(jié)的勢(shì)壘電壓，沒有一定的寬度就不能有足夠的時(shí)間使導(dǎo)通由一點(diǎn)擴(kuò)散到整個(gè)PN結(jié)。一般要求幅度為35V，寬度為410ms，觸發(fā)電流5300mA。維持電流。 是指可以維持可控硅整流器VS 導(dǎo)通的最小電流，一般規(guī)定小于20 mA。掣住電流。 是指可控硅被打開而控制極觸發(fā)信號(hào)電壓消失后，可以維持繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流，這個(gè)電流一般是維持電

15、流的若干倍?？刂平莂與導(dǎo)通角q。為了表征可控硅對(duì)交流電壓的控制行為而引出的這兩個(gè)參量。圖2-8所示是控制角a與導(dǎo)通角q的關(guān)系。下面就對(duì)它們的含義進(jìn)行討論。 控制角a。當(dāng)交流正半波加到可控硅上時(shí)，就具有了使可控硅導(dǎo)通的基礎(chǔ)條件，那么什么時(shí)候給可控硅控制極加觸發(fā)信號(hào)使其開通呢？從交流正弦波過0開始，一直到可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通（時(shí)間b）的這段可控硅不導(dǎo)通的時(shí)間ob，稱為控制角，用a表示。由于可控硅開啟很快，一般小于1ms，故認(rèn)為加觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間就是可控硅被打開的時(shí)間，即一般都把開啟時(shí)間都忽略不計(jì)。導(dǎo)通角q。由于可控硅的開啟是一個(gè)正反饋過程，故打開后就不能自動(dòng)關(guān)斷，這個(gè)導(dǎo)通過程要一直延續(xù)到電壓（吳川：電流

16、過0？）過0。從開啟到截止這段時(shí)間稱為導(dǎo)通角，用q表示。 a S1 S2 o t b a q 180° 圖2-8 控制角a與導(dǎo)通角q 的關(guān)系UPS中的輸入整流器就是利用對(duì)上述這兩個(gè)參量的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的，一般稱這種控制為“相控”。很明顯，在這里a+q =180°，就是說(shuō)只要知道這兩個(gè)參數(shù)中的一個(gè)，另一個(gè)也就知道了。 （4）6相全波整流及12脈沖整流 在一些UPS中為了提高輸入功率因數(shù)或者提高功率容量，就采用了6相全波整流及12脈沖整流。實(shí)際上，在UPS中都是采用的6相全波相控整流，也就是通常所說(shuō)的12脈沖整流。既然是12脈沖，就說(shuō)明了兩的問題：一個(gè)是采用了12只可控硅，一個(gè)

17、是有6相輸入電源。圖2-9所示是12脈沖整流電路。不難看出，兩個(gè)整流器的結(jié)構(gòu)一模一樣，都是三相6脈沖整流，不同的是兩個(gè)整流器輸入變壓器的結(jié)構(gòu)不同，一個(gè)變壓器繞組是“U” Ud 圖2-9 12脈沖整流電路型連接，一個(gè)變壓器繞組是“” 型連接。這樣連接的結(jié)果就使二者的電壓相位差為30º，也即整流脈動(dòng)的最大寬度是30º。由此得出多相整流時(shí)的最大脈動(dòng)寬度（即可控硅導(dǎo)通時(shí)間q）表達(dá)式為： qmax=2p/P其中P為控制脈沖數(shù)，比如6脈沖時(shí)是60º，12脈沖時(shí)是30º，18脈沖時(shí)是20º，24脈沖時(shí)是15º等，脈動(dòng)周期越小，其整流輸出電壓越高、越

18、接近交流電壓峰值，其表達(dá)式為在區(qū)間的積分： （2-11） 對(duì)于12脈沖半波整流來(lái)說(shuō)，當(dāng) a=0時(shí)， Ud =1.414 ´220 ´（P/p）sin15º´ cos0º=309V （2-12）這已是220V相電壓的峰值；若是12脈沖全波整流，其值為：當(dāng)a=0時(shí)其整流電壓Ud =618V 圖2-9中兩個(gè)一樣的整流器的輸出是通過各自的扼流圈后進(jìn)行并聯(lián)的，目的是使二者的輸出電流均衡。因?yàn)閮蓚€(gè)整流器雖然一樣，但它們的內(nèi)阻絕不會(huì)一樣，這樣就會(huì)造成輸出電流的不均衡。因此，扼流圈的阻抗取值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于整流器的內(nèi)阻，即整流器的內(nèi)阻和扼流圈的阻抗相比可以忽略不計(jì)。

19、 由上面可知，整流相數(shù)越多，其整流輸出電壓的脈動(dòng)頻率就越高，脈動(dòng)幅度就越小，脈動(dòng)系數(shù)就業(yè)越小。而且輸出紋波就越低，紋波系數(shù)也就越小。圖2-10中圖（a）是12脈沖整流時(shí)輸出波形的波動(dòng)情況，圖（b）為各相半波整流時(shí)平均值接近峰值的情況。 下面也給出脈動(dòng)系數(shù)和紋波系數(shù)的表達(dá)式： 脈動(dòng)系數(shù)： g¢ = 2 /（P 2 -1 ） （2-13） 紋波系數(shù)： g = 21/2 /（P 2 -1 ） （2-14） Ud 30O 20° 18相整流 30°º 30° 12相整流 60° 6相整流 t 120° 3相整流 180°

20、單相整流（a）12脈沖整流時(shí)的輸出波形波動(dòng)情況 （b）多相半波整流時(shí)平均值接近峰值的情況 圖2-10 多相整流時(shí)的波形圖和導(dǎo)通角圖 為了有一個(gè)量的概念，表2-1給出了脈動(dòng)系數(shù)g¢、紋波系數(shù)g 和整流相數(shù)P的關(guān)系。從表中可以看出：三相全波（半波6相）整流比單相全波（半波2相）整流時(shí)的脈動(dòng)系數(shù)g¢ 表2-1 半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)、紋波系數(shù)和整流相數(shù)的關(guān)系整流相數(shù) P234689121824脈動(dòng)系數(shù) g¢0.6670.250.1330.0570.0320.0250.0140.0060.0035紋波系數(shù) g0.4710.0640.0640.0420.02660.01

21、770.00990.00420.0024和紋波系數(shù)g要小得多，比后者的1/10還小，當(dāng)然加在后面的濾波電容也就小得多，這也就是為什么當(dāng)UPS的容量達(dá)到一定值時(shí)，都盡量采用三相全波整流；為了提高效率，都不采用6相半波整流，雖然都是6只整流管，但由于三相全波整流的輸出電壓比6相半波整流的輸出電壓高，因此在同樣的功率下三相全波整流的電流小，所以功耗也小，自然效率也就高了。 三、高頻開關(guān)整流器 （1） 問題的提出 上面介紹了工頻整流器,但工頻整流器主要有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是整流器笨重、損耗大，另一個(gè)是輸入功率因數(shù)低。1.笨重且損耗大。 一般情況下整流和濾波是連在一起的。由于頻率低，濾波器必然也就龐大，當(dāng)有電

22、流通過時(shí)，就在它們的內(nèi)阻上形成壓降和損耗。2. 輸入功率因數(shù)低。 在整流濾波時(shí)，由于整流的脈動(dòng)正弦波電壓必須高于濾波電容上的電壓時(shí)整流管才導(dǎo)通，因此電流的波形不是正弦波，而是脈沖波，如圖2-11所示。圖中的負(fù)載電流脈沖就導(dǎo)致了輸入功率因數(shù)的降低。 輸入功率因數(shù) PF = F（a）´ g（b） （2-15）而 F（a）=（1/f）´（0.5T/ a）½ ´ 1/(1/ a2)-0.01 ´ cos (ap/T )/(ap/T ) (2-16) g（b）= cos (bp/0.5T ) (2-17) b（ms） 電壓 負(fù)載電流有效值 a（ms） 5

23、0Hz 負(fù)載電流脈沖 圖2-11 整流濾波電壓和負(fù)載電流波形 式中： F（a） 是脈寬因子，它的大小取決于脈沖的寬度。 g（b） 是脈沖的位移因子，它的大小取決于脈沖相對(duì)于正弦波電壓半波中心的位移。 a 是脈沖的底部寬度，以ms計(jì)。 b 是電流脈沖中心相對(duì)于正弦波電壓半波中心的位移，以ms計(jì)。 T 是正弦波電壓周期，以ms計(jì)，對(duì)50Hz而言就是20ms。 f 交流電壓工作頻率，赫茲（Hz），在這里是50 Hz。 在50 Hz的情況下，上述兩個(gè)因子又可寫成 F（a）=（1/50）´（10/ a）½ ´ 1/(1/ a2)-0.01 ´ cos (ap/20

24、)/(ap/20) （2-18） g（b）= cos (b p/10) （2-19） 為了有一個(gè)量的概念，不妨代入具體數(shù)字。對(duì)于單相整流來(lái)說(shuō)，其電流脈沖的寬度在3 ms左右，就取為3ms，電源工作頻率為50Hz，當(dāng)然周期是20 ms，將這些數(shù)字代入式（2-18）可得出 F（a）= 0.69 若位移b = 0 ms 則g（b）= cos (b p/10) = 1,于是輸入功率因數(shù) PF = F（a）´ g（b）= 0.69´1 = 0.69 若位移b = 1 ms, 則g（b）= cos (b p/10) = 0.95,于是輸入功率因數(shù) PF = F（a）´ g（b

25、）= 0.69 ´ 0.95= 0.65 若a = 4 ms，則F（a）= 0.81，在位移b = 0 ms和b = 1 ms情況下，功率因數(shù)PF分別為0.81和0.77。從上面的例子可以看出：· 電流脈沖的寬度越小，功率因數(shù)也就越小。· 電流脈沖的位移越大，功率因數(shù)也就越小。· 電流脈沖的位移即使為0，功率因數(shù)也不能為1。 在實(shí)際應(yīng)用中，兩種位移情況都會(huì)出現(xiàn)，在電網(wǎng)電壓正弦波傳輸過程中，不可避免地出現(xiàn)失真，這種失真也很可能導(dǎo)致位移，如圖2-12所示。圖中UC代表整流后濾波電容上的直流電壓?？梢钥闯?，只有正弦波電壓的瞬時(shí)值大于UC 時(shí)，整流管才導(dǎo)通。在理

26、想情況下假設(shè)是一條平直線，而且電壓正弦波也很對(duì)稱，如波形A，那么電壓和電流的中心線重合，就是說(shuō)b =0ms。若由于某種原因使電壓正弦波失真，如波形B，在這種情況下，功率因數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低。 b = 0 ms b0 ms UC A B t0 t1 t2 t0 t1 t t2 圖2-12 脈沖電流位移情況 （2）高頻整流器電路的構(gòu)成 整流的一般定義就是將交流電變成直流電的過程，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的裝置就是整流器。最簡(jiǎn)單也是最原始的整流器就是利用單向?qū)ㄆ骷?gòu)成的電路，如前面介紹的二極管整流電路。由于包括可控硅在內(nèi)的此類電路存在著上述的這些不足，且又無(wú)法克服，所以高頻整流器也就應(yīng)運(yùn)而生了。 圖2-13示出

27、了高頻整流器的原理方框圖。從這個(gè)原理方框圖上很自然地要提出這樣一些問題：為什么還有二極管整流濾波器呢？這是因?yàn)樵谀壳皝?lái)說(shuō)，一切高頻變換大都是在直流電源輸入的情況下進(jìn)行的。二 極 管整 流 器高頻 變 換 器整 流 濾 波 器 交流輸入 交流（直流）輸出高頻控制與調(diào)整 圖2-13 高頻整流器原理方框圖從圖中可以看出，高頻整流器電路比原來(lái)復(fù)雜多了，這樣是不是比原來(lái)更笨重了嗎？實(shí)際上并非如此。因?yàn)樵瓉?lái)50Hz的整流濾波器中，濾波器占了很大的比重，尤其是功率稍大了以后，濾波器就更加笨重。比如相同參數(shù)的變壓器或扼流圈，在400Hz時(shí)的體積只有50Hz時(shí)的1/3，更何況這里大都工作在20kHz或以上呢！無(wú)

28、源濾波器不外乎電感（扼流圈）和電容，電感因串在主回路中，為了阻止高頻干擾波的通過，故要求高頻電抗要大；電容是并聯(lián)在主回路中，為了濾除高頻干擾波，就要求高頻電抗越小越好?，F(xiàn)用下面一個(gè)例子予以說(shuō)明。例如要求圖2-14濾波器中的扼流圈L和電容器C的電抗對(duì)50Hz的三次諧波150Hz分別為： XL = wL = 2pf L = 100（W） (2-20) XC = 1/wC = 1/2pf C = 0.1 （W） (2-21) 那么應(yīng)選多大的電感和電容量？ L C 圖2-14 LC濾波器電原理圖 解： L = 100 W/ 2pf = 100/2 ´3.14´150 = 0.106

29、 (H) =106 （mH） C = 1/2pf ´0.1 W = 0.0106 (F) = 10615（ mF）在將市電直接整流時(shí)，即使電流只有10A，其L、C也已很龐大了！ 若在20kHz情況下， L = 100 W/ 2pf = 0.8 （mH） C = 1/2pf ´0.1 W = 80 （mF） 顯然，在這樣高的頻率下只用容量不大的電容就可以了，這時(shí)的體積和重量都很小。 因此，這時(shí)的電路環(huán)節(jié)雖然多了，但總的體積卻極大地減小了。而且不僅如此，不同的是高頻整流器又新生出一些功能來(lái)，可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)、調(diào)節(jié)輸出電流和電壓。 （3）高頻整流器對(duì)輸入功率因數(shù)地調(diào)節(jié) 1.輸入功

30、率因數(shù)調(diào)節(jié)原理 之所以要對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是因?yàn)檩斎腚娏骱碗妷翰煌嗷蜉斎腚妷汉碗娏魇д娑斐闪溯斎牍β室驍?shù)降低。輸入電壓尤其是輸入電流所以會(huì)出現(xiàn)失真，主要是由于非正弦波的脈沖電流造成的。由圖2-15可以看出，由于整流濾波的原因，使負(fù)載電流呈脈沖形狀，在無(wú)PFC校正時(shí)，這時(shí)雖然有輸入電壓，但0t1和0t2都無(wú)電流，僅僅在t1 t2之間有一個(gè)很大的脈沖電流，使輸入電壓的頂部有一個(gè)凹陷，如虛線所示，從而造成了包括三次諧波在內(nèi)的奇次諧波失真。如果在輸入電壓過0的同時(shí)也有電流送出，并且該電流隨同電壓按同一規(guī)律連續(xù)而均勻變化，且把電流脈沖高出的部分S0平均分配在面積S1 和S2上，那么失真現(xiàn)象即可消除

31、。 S3 S0 輸入電壓波形 負(fù)載脈沖電流波形 理想輸入電流 I S1 S2 0 t1 t2 180° 圖2-15 電流調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)原理圖 高頻整流器就是這樣工作的。比如同步電路在過0點(diǎn)開始就把測(cè)得的輸入電壓信號(hào)送入基準(zhǔn)電路，以此控制高頻整流器的通導(dǎo)情況，使其向輸入電源吸取電流。但從圖2-15中可知，這時(shí)負(fù)載并不需要電流，即從輸入到負(fù)載無(wú)電流通路。若想在0t1和0t2之間也從輸入電源中吸收電流，就必須建立一個(gè)儲(chǔ)能源，目的是在負(fù)載不需要電流期間，該儲(chǔ)能源仍能保證與電壓同步的輸入電流源源不斷地提供過來(lái)，一旦負(fù)載需要時(shí)又能瞬間t20 S2釋放出去。一般都用電容器充當(dāng)這個(gè)儲(chǔ)能源。原因是負(fù)載

32、突然吸收一個(gè)前沿很陡的、幅度很大的脈沖電流時(shí)，儲(chǔ)能源（吳川：改為電源）應(yīng)仍按電壓的變化規(guī)律向負(fù)載提供電流S3，而多余的部分S0應(yīng)由電容中的儲(chǔ)能提供。因?yàn)殡娙萜鞯膭?dòng)態(tài)阻抗比其他儲(chǔ)能源（比如蓄電池）小得多，所以S0面積的電流主要由它來(lái)提供。電流脈沖過去后， 高頻整流器仍按電壓的變化規(guī)律向電容補(bǔ)充充電，一直到過0點(diǎn)，下一個(gè)周期會(huì)做同樣的重復(fù)。 因此，只要滿足了條件： S1+S2=S0 (2-22)輸入電壓和輸入電流同相的目的就達(dá)到了。 其中： S1 =IMsinewtd（wt）（積分限：0 t1） （2-23） S2 =IMsinewtd（wt）（積分限：t2 180O） （2-24） IM 是輸入

33、電流I的幅值。 需要指出的是：電容器C的實(shí)際容量要大得多，電容器容量的選擇要保證該電容在吸收和放出S1+S2 = S0 的電流時(shí)，電容器上的電壓電平無(wú)明顯變化。 2.具有功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能的一種高頻整流器 這里討論的是具有功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能的高頻整流器，實(shí)際上具有這種功能的電路方案很多，大都是升壓（BOOST）式的。其實(shí)，升壓式輸出并不是功率因數(shù)調(diào)節(jié)的必須條件。其主要的考慮是當(dāng)電網(wǎng)電壓低于正常值時(shí)，就不能保證輸出電壓穩(wěn)定了，因此升壓式輸出電路得到了普遍應(yīng)用。如圖2-16所示就是這種電路的一種方案，實(shí)際上這是一個(gè)并聯(lián)調(diào)節(jié)式電源，功率調(diào)節(jié)器件是K1，升壓與整流器件是L和VD，儲(chǔ)能換，。，這里討論的是這

34、里討論的是 整流濾波電路 I市電輸入U(xiǎn)I L VD Uo K1 C 圖2-16 升壓式高頻整流器原理圖能器件是C。功率開關(guān)并調(diào)節(jié)器件K1以高頻導(dǎo)通與截止，當(dāng)K1導(dǎo)通時(shí)，電流I流入K1，電感L進(jìn)行儲(chǔ)能，當(dāng)K1截止時(shí)，此通路被斷開，由于L在前一階段的儲(chǔ)能在K1突然斷開時(shí)激勵(lì)起一個(gè)反電勢(shì)E，其大小為： E = -L di/dt （2-25） 式中 ，L是電感量，di/dt是電流I的變化率，在頻率很高的情況下，這個(gè)值是很大的。由此式可以看出，反電勢(shì)電壓E的幅值大小和輸入電壓無(wú)關(guān)，僅僅是電感量和電流變化率的函數(shù)。在此反電勢(shì)的作用下，電流改為流向VD并給電容充電，而且，電流I并未間斷，接著K1下一次地導(dǎo)通

35、，又使I改流到這一邊 就這樣周而復(fù)始地循環(huán)下去，在后面有負(fù)載的情況下，電流I一直是連續(xù)的，電容的儲(chǔ)能和釋放的能量達(dá)到平衡時(shí)（吳川：要學(xué)習(xí)這種思維方式），該電路對(duì)輸入電源來(lái)說(shuō)就是一個(gè)線性負(fù)載，功率因數(shù)當(dāng)然是1，這樣補(bǔ)償?shù)哪康木瓦_(dá)到了。 前面討論的只是最簡(jiǎn)單的一種，而且功率也不容易做大。如果和高頻變壓器結(jié)合起來(lái)，則電路的范圍就大了，如半橋和能器件是C。功率開關(guān)并全橋高頻變換器等。 第二節(jié) UPS的輔助電源 在UPS電源中，它除了向外部提供交流電源外，還能向內(nèi)部提供直流電源，以保證各控制電路的正常工作。這種向內(nèi)部提供直流電源的電路或裝置就稱為輔助電源。根據(jù)UPS的容量不同，其電路形式也不同。目前UPS中的輔助電源主體電路多采用變換器。所謂變換器，廣義地講就是將直流變成交流、交流變成直流，或進(jìn)行幅度轉(zhuǎn)換及頻率轉(zhuǎn)換的電路。這里主要介紹直流變換器，它是某一個(gè)值的直流電壓變換成另一個(gè)值的直流電壓。變換器就其控制來(lái)說(shuō)又分自激和它激兩種，下面就將常用的它激電路作一簡(jiǎn)單討論。 單端變換器是UPS輔助電源的常用電路，也是PWM電源最基本的電路，所謂單端就是單向的意思，它分為正激和反激兩種結(jié)構(gòu)，根據(jù)其不同的要求和用途不同而采用不同的結(jié)構(gòu)方案。