電力操作電源系統(tǒng)

電力操作電源系統(tǒng)高頻開關(guān)電源技術(shù) 交流不間斷電源直流操作電源2/2/20231電力操作電源系統(tǒng)原理框圖2/2/20232一、高頻開關(guān)電源技術(shù)直流穩(wěn)壓電源簡介高頻開關(guān)電源原理介紹高頻開關(guān)電源各部分電路2/2/20233直流穩(wěn)壓電源簡介線性穩(wěn)壓電源：交流電源經(jīng)過工頻變壓器變壓、整流、濾波，再經(jīng)過晶體調(diào)整管整定輸出直流電壓。電源存在如下的缺點(diǎn)：變壓器由于工作在工頻頻率，在輸出較大功率時(shí)體積大、笨重；晶體調(diào)整管由于工作在放大狀態(tài)，等效于一個(gè)可變電阻器。整機(jī)的效率低于50%。2/2/20234直流穩(wěn)壓電源簡介晶閘管可控硅相控電源：交流電源經(jīng)過工頻變壓器變壓隔離，再經(jīng)過晶閘管轉(zhuǎn)換成50Hz脈沖電壓，再經(jīng)過電抗器及輸出濾波器濾波，將輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電壓。2/2/20235直流穩(wěn)壓電源簡介穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經(jīng)過與基準(zhǔn)電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈沖信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，當(dāng)輸出電壓下降，晶閘管的導(dǎo)通角增大，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間增加，輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓上升，晶閘管的導(dǎo)通角減小，晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。2/2/20236直流穩(wěn)壓電源簡介該穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源比較，晶閘管工作在開通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體管的功率損耗。但電源變壓器同樣工作在工頻頻率，為了使輸出電壓紋波較小及減小導(dǎo)通時(shí)的電流沖擊，要求有較大電感量的電抗器及較大容量的濾波電容，同樣的在輸出較大功率時(shí)，變壓器、電抗器及電容的體積大及笨重，變壓器、電抗器鐵損及銅損較大，有溫升散熱、通風(fēng)的問題。電源效率只在60%～80%左右。2/2/20237直流穩(wěn)壓電源簡介開關(guān)型穩(wěn)壓電源：交流電源經(jīng)過整流、濾波變成直流，再經(jīng)過高頻變壓器及高頻開關(guān)管，將直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖輸出，高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過快恢復(fù)整流管整流、電抗器及輸出濾波器濾波變成穩(wěn)定的輸出直流電壓。2/2/20238直流穩(wěn)壓電源簡介其穩(wěn)壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經(jīng)過與SMP控制器的基準(zhǔn)電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈寬信號(hào)控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，當(dāng)輸出電壓下降，脈寬展寬，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間增加，輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓上升，脈寬減小，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間減小，輸出電壓下降。該穩(wěn)壓電源與晶體管線性穩(wěn)壓電源比較，開關(guān)管工作在導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)，減小了晶體管的功率損耗。電源效率在80%～94%左右。2/2/20239開關(guān)穩(wěn)壓電源與相控電源比較2/2/202310高頻開關(guān)電源原理2/2/202311高頻開關(guān)電源原理－－主電路

原邊檢測(cè)控制電路：監(jiān)視交流輸入電網(wǎng)的電壓，實(shí)現(xiàn)輸入過壓、欠壓、缺相保護(hù)功能及軟啟動(dòng)的控制。EMI輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。軟啟動(dòng)：消除開機(jī)浪涌電流。2/2/202312高頻開關(guān)電源原理－－主電路整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級(jí)變換。全橋變換：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。2/2/202313高頻開關(guān)電源原理控制電路：一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。檢測(cè)電路：除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)。輔助電源：提供所有單一電路的不同要求電源。2/2/202314高頻開關(guān)電源各部分電路EMI濾波電路抗干擾電容濾波電容2/2/202315高頻開關(guān)電源各部分電路三相整流電路：采用一塊三相整流集成電路2/2/202316高頻開關(guān)電源各部分電路輸入軟起動(dòng)：繼電器J為常開觸點(diǎn)，合上交流輸入時(shí)，交流電源經(jīng)整流后通過限流電阻R對(duì)電容充電，當(dāng)電容充滿后，控制繼電器J閉合，避免大電流對(duì)電容的沖擊。2/2/202317高頻開關(guān)電源各部分電路輸出直流濾波2/2/202318高頻開關(guān)電源各部分電路DC/DC全橋變換：高頻開關(guān)管A、D和B、C組成橋的兩臂，高頻變壓器T連接在它們中間。通過加在A、D和B、C兩組開關(guān)管柵極的對(duì)稱倒相脈沖實(shí)現(xiàn)該兩組組開關(guān)管依次導(dǎo)通或截至，以實(shí)現(xiàn)DC/DC的高頻變換過程。2/2/202319高頻開關(guān)電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程*t0<t<t1：t=t0時(shí)，主回路中A、D兩管同時(shí)導(dǎo)通，B、C兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓Ui加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感Lo和負(fù)載上，主回路的電流It線性增加，電源向負(fù)載輸送能量。*t1<t<t2：在t=t1時(shí)，A、D兩管同時(shí)關(guān)斷，主回路的電流It迅速減小到零，變壓器兩端的電壓Vt也迅速減小到零，此時(shí)靠輸出電感Lo及電容Co的續(xù)流儲(chǔ)能向負(fù)載輸送能量。2/2/202320*t2<t<t3：t=t2時(shí)，主回路中B、C兩管同時(shí)導(dǎo)通，A、D兩管處于關(guān)斷狀態(tài)，電源電壓加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感Lo和負(fù)載上，主回路的電流It線性增加，電源再次向負(fù)載輸送能量。*t3<t<t4：在t=t3時(shí)，B、C兩管同時(shí)關(guān)斷，主回路的電流It迅速減小到零，變壓器兩端的電壓Vt也迅速減小到零，此時(shí)再次靠輸出電感Lo及電容Co的續(xù)流儲(chǔ)能向負(fù)載輸送能量。高頻開關(guān)電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程2/2/202321高頻開關(guān)電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程2/2/202322高頻開關(guān)電源各部分電路脈寬調(diào)制控制器：開關(guān)電源輸出電壓的變化取決于功率變換電路的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，導(dǎo)通時(shí)間越長，則電容兩端電壓升高越多；開關(guān)管關(guān)閉時(shí)間越長，則電容兩端電壓降低越多。為了調(diào)節(jié)開關(guān)電源輸出電壓，就必須控制開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)。通過采用脈沖寬度調(diào)制方式（PWM方式）來控制開關(guān)電源的輸出電壓。如使開關(guān)電源輸出電壓升高，則開關(guān)管驅(qū)動(dòng)的脈沖要加寬，即脈沖寬度固定，在單位時(shí)間內(nèi)的導(dǎo)通次數(shù)增加，保證總的導(dǎo)通時(shí)間加長。反之亦然。2/2/202323高頻開關(guān)電源各部分電路2/2/202324高頻開關(guān)電源各部分電路脈寬調(diào)制控制器工作原理：開關(guān)電源輸出電壓Vo通過電阻分壓，分壓后的電壓為V1，接到放大器的負(fù)端，放大器的正端接標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓電源（例如LM7805）輸出Vt，放大器輸出電壓為V2，接比較器正端，比較器負(fù)端接斜波發(fā)生器。斜波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)固定頻率和幅度的斜波，V2與斜波比較后輸出脈沖波形。穩(wěn)壓原理：*Vo↗→V1↗→V2↘→比較器輸出脈寬變窄→Vo↘；*Vo↘→V1↘→V2↗→比較器輸出脈寬變寬→Vo↗。2/2/202325高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)2/2/202326高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)在全橋相移ZVZCS的基本原理圖中，與硬開關(guān)相比，增加了一個(gè)飽和電感Ls，省去了全橋臂上的吸收電容，并在主回路上增加了一個(gè)阻擋電容Ce。通過相移方式控制主回路的有效占空比。阻擋電容Ce與飽和電感Ls適當(dāng)配合，能夠使全橋被動(dòng)臂上的主開關(guān)管（A、B）達(dá)到零電流開關(guān)（ZCS）的效果，而主動(dòng)臂上的主開關(guān)管（C、D）仍然處于零電壓開關(guān)（ZVS）的狀態(tài)。2/2/202327高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)t0<t<t1：主回路中A，D兩管導(dǎo)通，飽合電感Ls處于飽合狀態(tài)，電感量很小，可以認(rèn)為是短路狀態(tài)。電源電壓通過變壓器加在輸出電感Lo和負(fù)載上，主回路的電流Ip線形增加，電源向負(fù)載輸送能量，電容Ce的電壓Vce由負(fù)向正逐漸增加。t1<t<t2：在t=t1時(shí)，D管關(guān)斷，主回路的電流持續(xù)，使C管的電容Cr放電，最終使C管的電壓為零，并通過C管的體二極管續(xù)流，在t=t2時(shí)C管零電壓開通。這個(gè)過程與全橋相移ZVS的情況完全一致。此時(shí)電容Ce上形成的阻擋電壓Vce達(dá)到最大。2/2/202328高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)t2<t<t3：由于Lo的續(xù)流作用，輸出二極管鉗位使變壓器副邊短路，在主回路中只有變壓器的漏感存在，因此阻擋電壓Vce迅速將主回路的電流Ip回復(fù)到零，當(dāng)Ip回復(fù)到零時(shí)，飽合電感Ls退出飽合狀態(tài)，呈現(xiàn)出很大的電感量，使Ip維持在零附近一直到A管關(guān)斷。t3<t<t4：在t=t3時(shí)，A管零電流關(guān)斷，經(jīng)過一個(gè)死區(qū)時(shí)間B管開通。2/2/202329高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)t4<t<t5：B管開通時(shí)由于飽合電感Ls尚未飽合，Ip經(jīng)過一定的滯后再迅速上升，電流的滯后使B管的開通損耗大大降低。在t=t5時(shí)Ip達(dá)到輸出電流在主回路的折合值，變壓器副邊出現(xiàn)電壓，電源再次向負(fù)載輸送能量，電容Ce的電壓Vce由正向負(fù)逐漸減小，開始下半個(gè)對(duì)稱的周期?？梢娭鲃?dòng)臂上的兩只主管（C、D）處于ZVS狀態(tài)，其開通損耗為零，同時(shí)由于電容Cr（r=a，b，c，d）的存在，降低了主管關(guān)斷時(shí)電壓的上升斜率，關(guān)斷損耗也得到降低，被動(dòng)臂上的兩只主管（A、B）處于ZCS狀態(tài)，其關(guān)斷損耗為零，同時(shí)由于飽和電感Ls的存在，降低了主管開通時(shí)電流的上升斜率，使整個(gè)開關(guān)損耗大大降低。2/2/202330高頻開關(guān)電源－－軟開關(guān)技術(shù)2/2/202331一體化電源裝置結(jié)構(gòu)示意圖2/2/202332二、交流不間斷電源電力專業(yè)交流不間斷電源系統(tǒng)分為電力專用UPS系統(tǒng)和電力逆變電源系統(tǒng)；電力專用UPS含有整流器和逆變器，正常運(yùn)行時(shí)交流輸入經(jīng)整流器變?yōu)橹绷骱笤俳?jīng)過逆變器變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦波輸出，電網(wǎng)停電時(shí)可以無間斷的切換至蓄電池組供電；電力專用逆變器僅含逆變器，主要有在線式和后備式，但主要用于后備式運(yùn)行。2/2/202333電力專用UPS系統(tǒng)2/2/202334電力專用UPS系統(tǒng)單電源的UPS系統(tǒng)2/2/202335電力專用UPS系統(tǒng)2/2/202336電力專用逆變電源系統(tǒng)2/2/202337電力專用逆變電源系統(tǒng)2/2/202338三、直流操作電源2/2/202339交流配電單元2/2/202340單路輸入交流配電單元2/2/202341雷擊浪涌吸收器壓敏電阻氣體放電管2/2/202342降壓裝置2/2/202343事