《電力電子技術(shù)》課件項(xiàng)目五 不間斷電源（UPS）

項(xiàng)目五不間斷電源（UPS）1、概念：UPS（UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply），不間斷電源，是指當(dāng)交流輸入電源(市電)發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載用電不受影響。2、重要性：

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展及計(jì)算機(jī)、精密儀器儀表設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，UPS在電力、石化、鋼鐵、軍工、航空、航天、科研、金融、現(xiàn)代化辦公等領(lǐng)域成為必不可少的電源穩(wěn)定設(shè)備。

UPS是信息社會(huì)中重要設(shè)備的保護(hù)神。學(xué)習(xí)任務(wù)：1、器件：

門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)2、變流技術(shù)：

逆變電路1、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO亦稱門控晶閘管)■GTO屬于全控型器件，可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其自行關(guān)斷?！鬐TO的結(jié)構(gòu)?是三端四層(PNPN)、三端引出線(A,K,G)的器件?和普通晶閘管不同的是?

GTO雖然外部也是三個(gè)電極，但內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起(即若干GTO元組成)，故GTO是一種多元的功率集成器件，這是為了便于門極控制關(guān)斷而設(shè)計(jì)。而普通晶閘管是獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

普通晶閘管為什么叫半控型器件？（b)等效電路(c)電氣圖形符號1、

門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理◆GTO的工作原理（與普通晶閘管類似）?V1、V2的共基極電流增益分別是

1、

2。

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，當(dāng)大于1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通，當(dāng)小于1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。

GTO與普通晶閘管的不同1）設(shè)計(jì)器件時(shí)應(yīng)使

2(Ic2/Ik)較大，這樣會(huì)使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。

2）使導(dǎo)通時(shí)的

1+

2更接近1，普通晶閘管設(shè)計(jì)為

1+

2>=1.15,而GTO的

1+

2約等于1.05,這樣使GTO導(dǎo)通時(shí)飽和程度不深，更接近臨界飽和，為門極控制關(guān)斷提供有利條件，負(fù)面影響是，導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

3）多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2基區(qū)(直連門極)所謂的橫向電阻很小，從而使門極抽出較大電流成為可能。小結(jié)：?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使

1+

2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快。。

■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似，為延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

◆關(guān)斷過程(有所不同)

1）儲(chǔ)存時(shí)間ts

(從加上反向電流到穩(wěn)態(tài)電流下降到90%所用時(shí)間，結(jié)束時(shí)退出飽和)

2）下降時(shí)間tf(從穩(wěn)態(tài)電流90%下降到10%所用時(shí)間，結(jié)束時(shí)退至放大區(qū))

3）

尾部時(shí)間tt（從穩(wěn)態(tài)電流10%下降到0所用時(shí)間）

?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段若仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間，從而加快關(guān)斷。toff=

ts

+tfGTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時(shí)間抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

GTO的主要參數(shù)

GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，此處只介紹不同。

◆最大可關(guān)斷陽極電流IATO

用來標(biāo)稱GTO額定電流。(普通晶閘管不能自行關(guān)斷，無此指標(biāo))

◆電流關(guān)斷增益

off

最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。(類似弱電的晶體管

=IC/IB且

數(shù)值比較大)，而

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。(例：一個(gè)1000A的GTO,關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流的峰值達(dá)200A，此值很大，需驅(qū)動(dòng)才能關(guān)斷GTO)

◆開通時(shí)間ton

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。

延遲時(shí)間一般約1~2

s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而減小。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。其儲(chǔ)存時(shí)間隨陽極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2

s。1、普通晶閘管是

層PN結(jié)構(gòu)，有

個(gè)PN結(jié)，其電氣符號為_____________。2、單結(jié)晶體管具有_____個(gè)PN結(jié)，具有_________特性，電氣符號為___________。3、單結(jié)晶體管振蕩電路是利用單結(jié)晶體管負(fù)阻區(qū)的工作特性設(shè)計(jì)的。（

）4、普通晶閘管的圖形符號是

，三個(gè)電極分別是

、

和

，晶閘管的導(dǎo)通條件是

、

；關(guān)斷措施是

、

、

。5、晶閘管有三個(gè)電極，分別是門極、陽極和負(fù)極。（

）6、快速恢復(fù)二極管關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)時(shí)間很短，正向壓降也很低。（

）7、雙向晶閘管的圖形符號是

，三個(gè)電極分別是

、T2電極和

；

任務(wù)二逆變電路

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，在經(jīng)常要求正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械中，利用逆變裝置不僅可以將每次制動(dòng)過程中釋放的電能回饋給電網(wǎng)，還可以使電動(dòng)機(jī)得到較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)快速可逆運(yùn)行。

逆變電路的主要應(yīng)用◆各種直流電源充放電，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。

◆交流電機(jī)調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。逆變及有源逆變的概念

一、定義：如果將逆變電路的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變定義：逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而是直接接到負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載.1、有源逆變:2、無源逆變：逆變過程的能量關(guān)系直流發(fā)電機(jī)（generator）—電動(dòng)機(jī)之間電能的傳遞圖a中，M作電動(dòng)運(yùn)行，EG＞EM，電流Id從G流向M，電流Id=(EG－EM)/R∑，由于Id與EG同方向，與EM反方向，故G輸出電功率為PG=EGId

，電動(dòng)機(jī)M吸收的電功率為PM=EMId，電能由發(fā)電機(jī)G流向電動(dòng)機(jī)M，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)M軸上輸出的機(jī)械能，即起動(dòng)。二、圖c中，EM的方向與EG一致，這時(shí)兩個(gè)電動(dòng)勢順向串聯(lián)起來，向電阻R∑供電，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)都輸出功率，由于R∑的阻值一般都很小，實(shí)際上形成短路，產(chǎn)生很大的短路電流，這是不允許的。圖b中是回饋制動(dòng)狀態(tài)，M作發(fā)電運(yùn)行，此時(shí)EM＞EG，電流反向，從M流向G。此時(shí)，Id與EM同方向，與EG反方向，故電動(dòng)機(jī)M輸出電功率，發(fā)電機(jī)G則吸收電功率，電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o發(fā)電機(jī)，即制動(dòng)。小結(jié)：

當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)勢同極性相接時(shí)，電流總是從電勢高的流向電動(dòng)勢低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動(dòng)勢差值也能產(chǎn)生大的電流，使兩個(gè)電動(dòng)勢之間交換很大的功率，這對分析有源逆變電路是十分有用的。三、有源逆變16/21uuua)b)u10udu20u10aOOwtIdidUd>EM10ud2010OOIdidUd<aVT1VT2VT2id=iVT+iVT12id=iVT+iVT12iVT1iVT2iVT1iiiwtwtwt以單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)，給電動(dòng)機(jī)供電，如圖，分析此時(shí)電路內(nèi)電能的流向。?圖a）當(dāng)

的范圍在0~

/2間，輸出Ud為正值，電動(dòng)機(jī)M作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，晶閘管工作在整流狀態(tài)，供能，且Ud略大于EM，交流電網(wǎng)輸出電功率，電動(dòng)機(jī)則輸入電功率。

?圖b）

的范圍在

/2~，且使Ud<EM,電動(dòng)機(jī)M作發(fā)電回饋制動(dòng)運(yùn)行，輸出Ud為負(fù)值，電路內(nèi)Id的方向依然不變，EM的極性改變，而M軸上輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒oG，為了避免兩電動(dòng)勢順向串聯(lián)，Ud的極性也必須反過來為負(fù)值，故，且|EM|>|Ud|。a）b）即Ud應(yīng)為負(fù)值，且|EM|>|Ud|，才能把電能從直流側(cè)送到交流側(cè)，實(shí)現(xiàn)逆變?！舢a(chǎn)生逆變的條件

?要有直流電動(dòng)勢，其極性須和晶閘管輸出一致，其值應(yīng)大于變流器直流側(cè)的平均電壓。

?要求晶閘管的控制角

>

/2，使Ud為負(fù)值。

?兩者必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變?！舭肟貥蚧蛴欣m(xù)流二極管的電路，因其整流電壓ud不能出現(xiàn)負(fù)值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負(fù)極性的電動(dòng)勢，故不能實(shí)現(xiàn)有源逆變，欲實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。四、無源逆變1、逆變電路的基本工作原理2、換流方式分類1、

逆變電路的基本工作原理■基本的工作原理◆S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

負(fù)載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆電阻負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。

◆阻感負(fù)載時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同。

逆變電路及其波形舉例

2、

換流方式分類■換流

◆電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相?！粞芯繐Q流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷?！鰮Q流方式分為以下幾種

◆器件換流（DeviceCommutation）

?利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。?在采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。

◆電網(wǎng)換流（LineCommutation）

?電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。?將負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上即可使其關(guān)斷。不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。■逆變電路的應(yīng)用在電力電子電路中占有十分突出的位置，應(yīng)用非常廣泛。

◆在已有的各種電源中，蓄電池、干電池、太陽能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。

◆另外，交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。變流電路在工作過程中不斷發(fā)生電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移，此稱為換流。換流方式在逆變電路中占有突出的地位。五、電壓型逆變電路1、

單相電壓型逆變電路

2、

三相電壓型逆變電路1、

電壓型逆變電路■根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類

◆電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源。

◆電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源?！鲭妷盒湍孀冸娐返奶攸c(diǎn)

◆直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動(dòng)。

◆由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。

◆阻感負(fù)載時(shí)需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。電壓型逆變電路舉例（全橋逆變電路）

2、

單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

■半橋逆變電路

◆在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)，負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。

◆工作原理

?設(shè)開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏，半周反偏，且二者互補(bǔ)。

?輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。

?電路帶阻感負(fù)載，t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，當(dāng)t3時(shí)刻io降零時(shí)，VD2截止，V2開通，io開始反向，由此得出如圖所示的電流波形。

2、單相電壓型逆變電路a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形

?V1或V2通時(shí)，io和uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。VD1、VD2稱為反饋二極管,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管?！魞?yōu)點(diǎn)是簡單，使用器件少；其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡；因此，半橋電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源。3、、

單相電壓型逆變電路■全橋逆變電路

◆共四個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成。

◆兩對橋臂交替導(dǎo)通180°。

◆輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，但幅值高出一倍。

◆在這種情況下，要改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。

◆Ud的矩形波uo展開成傅里葉級數(shù)得其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

全橋逆變電路

3、單相電壓型逆變電路a)b)單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

◆移相調(diào)壓方式

?V3的基極信號比V1落后

（0＜

＜180°）。V3、V4的柵極信號分別比V2、V1的前移180°-

。輸出電壓是正負(fù)各為

的脈沖。

?工作過程

√t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，

uo=Ud。

√t1時(shí)刻V4截止，而因負(fù)載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，uo=0。

√