《電力電子技術(shù)》課件項目五 不間斷電源（UPS）

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

隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展及計算機、精密儀器儀表設(shè)備及數(shù)據(jù)處理設(shè)備、自動化生產(chǎn)設(shè)備的廣泛應用，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是信息社會中重要設(shè)備的保護神。學習任務：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。而普通晶閘管是獨立元件結(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是器件臨界導通的條件，當大于1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通，當小于1時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。

GTO與普通晶閘管的不同1）設(shè)計器件時應使

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

2）使導通時的

1+

2更接近1，普通晶閘管設(shè)計為

1+

2>=1.15,而GTO的

1+

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

3）多元集成結(jié)構(gòu)使每個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的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使

1+

2<1時，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的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似，為延遲時間與上升時間之和。

◆關(guān)斷過程(有所不同)

1）儲存時間ts

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

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

3）

尾部時間tt（從穩(wěn)態(tài)電流10%下降到0所用時間）

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

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

ts

+tfGTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

殘存載流子復合所需時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間抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間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

用來標稱GTO額定電流。(普通晶閘管不能自行關(guān)斷，無此指標)

◆電流關(guān)斷增益

off

最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值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的一個主要缺點。(例：一個1000A的GTO,關(guān)斷時門極負脈沖電流的峰值達200A，此值很大，需驅(qū)動才能關(guān)斷GTO)

◆開通時間ton

延遲時間與上升時間之和。

延遲時間一般約1~2

s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而減小。

◆關(guān)斷時間toff

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

s。1、普通晶閘管是

層PN結(jié)構(gòu)，有

個PN結(jié)，其電氣符號為_____________。2、單結(jié)晶體管具有_____個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)晶體管負阻區(qū)的工作特性設(shè)計的。（

）4、普通晶閘管的圖形符號是

，三個電極分別是

、

和

，晶閘管的導通條件是

、

；關(guān)斷措施是

、

、

。5、晶閘管有三個電極，分別是門極、陽極和負極。（

）6、快速恢復二極管關(guān)斷時反向恢復時間很短，正向壓降也很低。（

）7、雙向晶閘管的圖形符號是

，三個電極分別是

、T2電極和

；

任務二逆變電路

在電力拖動系統(tǒng)中，在經(jīng)常要求正、反轉(zhuǎn)運行的生產(chǎn)機械中，利用逆變裝置不僅可以將每次制動過程中釋放的電能回饋給電網(wǎng)，還可以使電動機得到較大的制動轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)快速可逆運行。

逆變電路的主要應用◆各種直流電源充放電，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。

◆交流電機調(diào)速用的變頻器、不間斷電源、感應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（generator）—電動機之間電能的傳遞圖a中，M作電動運行，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

，電動機M吸收的電功率為PM=EMId，電能由發(fā)電機G流向電動機M，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱訖CM軸上輸出的機械能，即起動。二、圖c中，EM的方向與EG一致，這時兩個電動勢順向串聯(lián)起來，向電阻R∑供電，發(fā)電機和電動機都輸出功率，由于R∑的阻值一般都很小，實際上形成短路，產(chǎn)生很大的短路電流，這是不允許的。圖b中是回饋制動狀態(tài)，M作發(fā)電運行，此時EM＞EG，電流反向，從M流向G。此時，Id與EM同方向，與EG反方向，故電動機M輸出電功率，發(fā)電機G則吸收電功率，電動機軸上的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芊此徒o發(fā)電機，即制動。小結(jié)：

當兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電勢高的流向電動勢低的，由于回路電阻很小，即使很小的電動勢差值也能產(chǎn)生大的電流，使兩個電動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，給電動機供電，如圖，分析此時電路內(nèi)電能的流向。?圖a）當

的范圍在0~

/2間，輸出Ud為正值，電動機M作電動機運行，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，電動機則輸入電功率。

?圖b）

的范圍在

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

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

?要求晶閘管的控制角

>

/2，使Ud為負值。

?兩者必須同時具備才能實現(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)負值，也不允許直流側(cè)出現(xiàn)負極性的電動勢，故不能實現(xiàn)有源逆變，欲實現(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個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2◆當開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；當開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負，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。

◆電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同。

◆阻感負載時，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

◆電流從一個支路向另一個支路轉(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。■逆變電路的應用在電力電子電路中占有十分突出的位置，應用非常廣泛。

◆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，當需要這些電源向交流負載供電時，就需要逆變電路。

◆另外，交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應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)生電流從一個支路向另一個支路的轉(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。■電壓型逆變電路的特點

◆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。

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

◆阻感負載時需提供無功功率，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)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點，負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間。

◆工作原理

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

?輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。

?電路帶阻感負載，t2時刻給V1關(guān)斷信號，給V2開通信號，則V1關(guān)斷，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流，當t3時刻io降零時，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，io和uo同方向，直流側(cè)向負載提供能量；VD1或VD2通時，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,它又起著使負載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管?！魞?yōu)點是簡單，使用器件少；其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡；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

◆共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。

◆兩對橋臂交替導通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°-

。輸出電壓是正負各為

的脈沖。

?工作過程

√t1時刻前V1和V4導通，

uo=Ud。

√t1時刻V4截止，而因負載電感中的電流io不能突變，V3不能立刻導通，VD3導通續(xù)流，uo=0。

√