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逆變器輸出特性與非線性負(fù)載

作者: 時(shí)間:2022-10-08 來(lái)源:英飛凌 收藏

六期連載,解讀UPS標(biāo)準(zhǔn),研究線路阻抗對(duì)整流電容濾波這類(lèi)非線性負(fù)載的影響,同時(shí)討論針對(duì)整流電容濾波這類(lèi)非線性負(fù)載逆變器輸出特性的設(shè)計(jì)對(duì)策和測(cè)試方法。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202210/438824.htm


前幾講的討論是為了解決整流電容濾波電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)如果濾波電感比較小的話,波形系數(shù)就比較大,有效值高于平均值的3倍以上,而峰值電流更是非常大。這樣的負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不友好,接在逆變器輸出,對(duì)容量有限的逆變器是個(gè)挑戰(zhàn)。所以我們需要研究一下逆變器的設(shè)計(jì)策略和測(cè)試評(píng)估方法。


單相整流電路的電容濾波負(fù)載分析


開(kāi)機(jī)沖擊電流


對(duì)于單相整流電路的電容濾波負(fù)載開(kāi)機(jī)的時(shí)候,由于電容中沒(méi)有儲(chǔ)存能量,電壓為零,所以第一個(gè)周期會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的浪涌電流,這對(duì)整流電路的電流應(yīng)力和電網(wǎng)的沖擊都很大,在通用變頻器設(shè)計(jì)中一般會(huì)有個(gè)直流母線電容的預(yù)充電電路,有些整流電路設(shè)計(jì)可以用負(fù)溫度系數(shù)的電阻抑制開(kāi)機(jī)沖擊電流,難免有不少設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)機(jī)沖擊電流抑制不力。


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電流峰值


第五講《整流電容濾波負(fù)載實(shí)例》中分析了一個(gè)類(lèi)空調(diào)的單相全橋整流電路,其平均功率在700瓦水平,電容取值1500uf,當(dāng)濾波電感為1mH時(shí),二極管上峰值電流高達(dá)15.4A,比平均電流1.2A高12倍。這樣的輸入特性功率因數(shù)低,諧波電流大,對(duì)電網(wǎng)非常不友好,不能滿足GB17625.1低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)要求。


這樣的沖擊電流和峰值電流,往往會(huì)超過(guò)逆變器150%的超載能力,也會(huì)超過(guò)逆變器功率開(kāi)關(guān)IGBT的反向工作安全區(qū),即兩倍的器件標(biāo)稱電流。


逆變器的設(shè)計(jì)策略


從一般的分析中知道,增加線路阻抗,能有效降低沖擊電流和峰值電流。由于電感上的電流不能突變,串接電感是個(gè)好方法。但對(duì)于逆變器來(lái)說(shuō),還可以從源頭解決問(wèn)題,即通過(guò)控制環(huán)的參數(shù)設(shè)置來(lái)降低沖擊電流。


UPS應(yīng)用中這一問(wèn)題最突出,尤其單相無(wú)輸出變壓器的高頻機(jī),它們面對(duì)的負(fù)載是臺(tái)式PC機(jī)或服務(wù)器,開(kāi)機(jī)沖擊電流大,不帶PFC;早年的CRT顯示器有消磁線圈,用正溫度系數(shù)的電阻人為造成開(kāi)機(jī)沖擊消磁電流。面對(duì)很?chē)?yán)酷的工況,UPS廠商找到了一種合理的解決方案,并制定的標(biāo)準(zhǔn)。方法就是降低UPS中逆變器的瞬態(tài)相應(yīng),把輸出特性做軟,避免輸出大電流。


這就是IEC62040-3:1999《不間斷電源設(shè)備第3部分:確定性能的方法和試驗(yàn)要求》中的5.3.1規(guī)定的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出電壓特性。在標(biāo)準(zhǔn)里定義了三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能。


逆變器的瞬態(tài)響應(yīng)


最嚴(yán)的一類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能,規(guī)定了在UPS在負(fù)載突變的情況下,輸出電壓允許有30%的跌落和過(guò)沖,但5秒后必須進(jìn)入電壓恢復(fù)階段,20毫秒(50Hz系統(tǒng)的一個(gè)周期)內(nèi)恢復(fù)到+/-14%,100毫秒內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)+/-10%。這樣的特性已經(jīng)有助于降低沖擊電流和電流峰值。但正弦電壓可能有削峰的現(xiàn)象,一般不影響負(fù)載正常工作。


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圖1.一類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能


二類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能特性很軟,在大的沖擊電流下,輸出降到零,以最大程度降低負(fù)載對(duì)UPS中逆變器的沖擊,這種短時(shí)間的斷電對(duì)整流濾波負(fù)載幾乎沒(méi)有什么太大影響。


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圖2.二類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能


三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能是為后備式UPS定義的,由于后備式有電網(wǎng)和逆變器之間的切換時(shí)間和逆變器的啟動(dòng)時(shí)間。10毫秒的停電,大多數(shù)的開(kāi)關(guān)電源可以接受,但用于照明已經(jīng)可以感受到明顯的間斷。


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圖3.三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能


逆變器的基準(zhǔn)非線性負(fù)載


我們定義的UPS輸出瞬態(tài)響應(yīng)特性,那就需要有測(cè)試方法,IEC62040-3除了在正文中規(guī)定了階躍性負(fù)載外,標(biāo)準(zhǔn)還有規(guī)范性附錄《準(zhǔn)非線性負(fù)載》,這是我們討論的整流電容濾波負(fù)載很好的參考。


為了模擬一個(gè)單相穩(wěn)態(tài)整流/電容器負(fù)載,接到UPS的負(fù)載是一個(gè)二極管整流橋。橋的輸出側(cè)接有一個(gè)電容器、電阻并聯(lián)電路??偟膯蜗嘭?fù)載可按下圖連接的單個(gè)負(fù)載,或多個(gè)等效并聯(lián)負(fù)載構(gòu)成。


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基準(zhǔn)非線性負(fù)載


負(fù)載配置計(jì)算方法


U:UPS的額定輸出電壓,方均根值


f:UPS輸出頻率


Uc:整流電壓


S:線性負(fù)載兩端的表觀功率---功率因數(shù)0.7,即表觀功率S的70%將以有功功率消耗在R1和Rs上。


R1:電阻,設(shè)定其消耗有功功率為總表觀功率S的66%。


Rs:串聯(lián)的線性電阻,設(shè)定其消耗有功功率為總表觀功率S的4%。


按照電容器電壓Uc的5%峰谷值紋波電壓,相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為R1×C=7.5/f。


根據(jù)峰值電壓,電網(wǎng)電壓畸變,電網(wǎng)電纜壓降和整流電壓的紋波,整流電壓平均值Uc按經(jīng)驗(yàn)應(yīng)為:


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電阻Rs、R1和電容C(單位:F)的值按下述計(jì)算:


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試驗(yàn)方法


基準(zhǔn)非線性負(fù)載與UPS的連接


(a) 對(duì)于33kVA以下的單相UPS,所用基準(zhǔn)非線性負(fù)載的表觀功率S等于UPS的額定表觀功率。


(b) 額定值在33kVA以上的單相UPS,使用表觀功率為33kVA的基準(zhǔn)非線性負(fù)載,再加上線性負(fù)載,使之達(dá)到UPS的額定表觀功率和額定有功功率。


(c) 設(shè)計(jì)用于三相負(fù)載,額定值在100kVA以下的三相UPS,應(yīng)將三個(gè)相等的單相基準(zhǔn)非線性負(fù)載接到UPS相間或線間。


(d) 額定值在100kVA以上的三相UPS,根據(jù)C)款,應(yīng)使用100kVA的基準(zhǔn)非線性負(fù)載,再加上線性負(fù)載,使之達(dá)到UPS額定表觀功率和額定有功功率。


實(shí)例


為1000VA UPS設(shè)計(jì)一個(gè)非線性負(fù)載:


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那么:


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考慮實(shí)驗(yàn)條件:


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那么:


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考慮實(shí)驗(yàn)條件:


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仿真


對(duì)于整流濾波負(fù)載,如果沒(méi)有電感的話,二極管峰值電流會(huì)很大,設(shè)線路阻性阻抗0.1歐姆,峰值電流超過(guò)30A,對(duì)電容充電時(shí)間只有1.29毫秒,占半周期的12.9%,這樣高次諧波電流很大,功率因數(shù)很低。從實(shí)際負(fù)載消耗的有功功率僅746W,而視在功率是1687VA,功率因數(shù)為0.44。


2歐姆線路阻抗是基準(zhǔn)非線性負(fù)載規(guī)定值,峰值電流也高達(dá)13A,但實(shí)際負(fù)載消耗的有功功率僅660W,而視在功率是992VA,功率因數(shù)為0.67。


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市電校正


把這一基準(zhǔn)非線性負(fù)載接到220V市電上去,由于線路實(shí)際存在阻性阻抗,沒(méi)有串聯(lián)2歐姆的Rs。實(shí)際測(cè)到峰值電流Ipk=22.5A,有效值電流為6.1A。


這時(shí)視在功率1381VA,有功功率684W,功率因數(shù)為0.5。


逆變器負(fù)載


把這一負(fù)載接到1kVA在線式UPS上去,由于UPS輸出特性比較軟,綠色的電壓波形有削頂,抑制的峰值電流(紅色)到Ipk=16.5A,有效值電流6.0A,見(jiàn)下測(cè)試波形。


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結(jié)論


本文是從另外一個(gè)角度看整流濾波負(fù)載的二極管電流,了解線路阻抗對(duì)峰值電流等的影響,并做了一個(gè)視在功率為1000W的基準(zhǔn)非線性負(fù)載作為實(shí)際案例與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)照。


要降低整流二極管上的峰值電流,提高整流電路的功率因數(shù),使用濾波電抗器是最合理的方法,這可以有效降低二極管的電流應(yīng)力,提高系統(tǒng)可靠性,這在通用變頻器等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要考慮。


來(lái)源:工業(yè)半導(dǎo)體

原創(chuàng):陳子穎  



關(guān)鍵詞: 英飛凌

評(píng)論


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