2.第二章 UPS的基本电路和基本知识

1第二章UPS的基本电路和工作原理第一节整流器/充电器的基本概念在传统双变换UPS中，输入电路的第一个环节就是整流器/充电器。小功率的整流器和充电器是分开的，中大功率时，由于用了可控硅，整流器和充电器则大都合在了一起。不论是分还是合，二者的关系和作用有时是分不开的。作为现代UPS维护和使用的工程技术人员了解一些这方面的电路知识是很有必要的。一、单相半波、全波和桥式整流由于绝大部分IT设备电路的工作电压都要求是平滑的直流电压，所以要把交流市电经整流器变换成直流输出，再由PWM电路或其他电路变换成需要的直流电压。所以掌握整流器中电流的流向和一般知识，知道几种整流方式的区别及特点，对于正确使用UPS和判断故障是很有帮助的。（1）单相半波整流滤波图2-1所示是单相半波整流滤波电路原理图，（a）是电路原理图，（b）是整流波形图。由于整流器具有单向通导的特性，所以输入电压U1经整流器VD整流后就变成了单向脉动波UO，而输入的负半周被隔离掉。一般整流器后面都有电容滤波器，如图2-1（a）中的C，将脉动波变成直流波UC，如图2-1（b）所示。U1U1VDUOCRUOUC0UCt（a）电路原理图（b）整流波形图图2-1单相半波整流滤波电路原理图在有些情况下，由于某种原因将电容损坏，而电容上的标称值又看不清楚，就无法进行更换。在此情况下如何选择C的电容量就成了首要问题。这里可以用一个简单的方法计算，即一般要求在放电结束时的那一点上，电容上电压下降不超过5%，根据电容放电公式：UC=UC0et/（2-1）式中：UC—为在放电时间结束时那一点的瞬时电压UC0—放电开始时的电压t—放电时间，在半波整流时为10ms的值—放电时间常数，=C（F）R（Ω），单位是“s”将式（2-1）改写成：t/=Ln（UC/UC0）（2-2）按照上面的要求，为了便于计算，设放电到10ms时，应当UC=0.95UC0，代入这些数2据后，上式就变为：=t/Ln（UC/UC0）=10103/Ln0.95=19.5103(s)即CR=19.5103(s)，整流滤波电源的容量定了，那么负载电阻R也就定了，设R=10（Ω），于是电容量就是C=19.5103/10=1950（F）可取标称值2000（F）或2200（F）的电容替换。（2）单相全波整流滤波单相半波整流一般都用于小功率的情况。当功率稍微增大时就必须用全波流。图2-2（a）所示为单相全波整流电路原理图，图（b）是它的整流波形图。从图中可以看出，这是两个单相半波整流器的组合。需要指出的是，有时这种整流器前面加了变压器，目的是使次级电压可以根据设计的要求随意变化。LVD1UoU1I1U1U22N22CRUoUC0UCVD2t（a）原理图（b）波形图图2-2单相全波整流电路原理图往往有的情况下将小功率变压器烧坏了，而一般机器内的变压器由于是非标准件，并不给出它的绕制参数，因而使用户无从下手。遇有这种情况就可以自己动手另外绕制一个变压器来代替。下面就给出一个简单决定匝数的方法，当然具体绕制时还有很多技术问题，在此就不一一讨论了。首先看一下变压器初级和次级之间的关系。U1、I1是初级电压、电流，N1是变压器初级匝数；而U2I2是次级电压电流，N2是变压器次级一半匝数。在一个变压器磁路中，初次级绕组通过同一个安匝数的磁通，即，I1N1=I2N2或写成I1/I2=N2/N1（2-3）由式（2-3）可以看出：变压器初次级间的电流比等于其匝数的反比；又根据能量守衡定律，I1U1=I2U2（2-4）得出I1/I2=U2/U1（2-5）所以U1/U2=N1/N2（2-6）因此，变压器初次级间的电流比等于其电压的反比；而变压器初次级间的电压比等于其匝数的比。这样一来，只要知道变压器次级电压U2就可算出这个变压器的匝数比了。因为次级电压和整流滤波后的直流电压值是一个2的关系，而直流电压值从随机的UPS电路图上就可查出。至于电流的大小可不用考虑，就用原来的铁芯，按照算出的匝数，选择适当粗细的漆包线将铁心窗口占满即可。（3）单相桥式整流滤波图2-3所示是单相桥式整流电路原理图。这个整流器的工作和前二者不同，前二者N13的电流在每个半波时只流过一只整流二极管，而这里每半波的电流却要流过两只整流二极管。全波整流器虽然只用了两只二极管，而却多用了一组变压器绕组。单相桥式整流电路虽然多用了两只二极管，却少用了一组变压器绕组。因此，看起来后两个电路都是输出全波，但由于结构上不同，因此都各有自己的使用场合，应视实际情况而定。不过二者滤波电容容量的计算原则却是一样的，可以根据式（2-2）来求取。整流滤波器的输出电压都是向交流电压的峰值看齐，在以后的讨论中不管是几相整流，其输出电压都遵循这个原则。LVD1UoVD4VD2CRNVD3图2-3单相桥式整流电路原理图二、三相半波、桥式（全波）整流及6脉冲整流（1）三相半波整流当功率进一步增加或由于其它原因要求多相整流时，三相整流电路就被提了出来。图2-4所示就是三相半波整流电路原理图。在这个电路中，三相中的每一相都和中线单独形成了半波整流电路，即相当于图2-1中3个电路的组合，其整流出的3个半波电压CRN图2-4三相半波整流电路原理图在时间上依次相差120°叠加,并且整流波形不过0点，其最低点电压是：Umin=UPsin[½（180°-120°）]=½UP式中UP是交流输入电压幅值。并且在一个周期中有三个宽度为120°的整流半波。因此它的滤波电容器的容量可以比单相半波整流和单相全波整流时的容量都小。（2）三相桥式（全波）整流图2-5所示是三相全波整流电路原理图。图2-6是整流波形图。图（a）是三相交流电压波形，图（b）是三相半波整流波形图，图（c）是三相全波整流波形图。在输出波形图中，MN粗平直虚线是整流滤波后的平均输出电压值，虚线以下和各正弦波的交点以上（细虚线以上）的小脉动波是整流后未经滤波的输出电压波形。由图2-4和图2-5中可以看出，三相半波整流电路和三相全波整流电路的结构是有区别的。UAVD1UBVD2UCVD34①三相半波整流电路只有三个整流二极管，而三相全波整流电路中却有6只整流二极管。②三相半波整流电路需要输入电源的中线，而三相全波整流电路则不需要输入电源的中线。UAUBUCUAUBUCUA（a）三相交流电压波形MN（b）三相半波整流电压波形MNt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t10（c）三相全波整流电压波形图2-6三相全波整流波形图UoUAVD1VD2VD3UBCRUCVD4VD5VD6图2-23三相桥式整流电路原理图Ud5从图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区别如下。①三相半波整流波形的脉动周期120°，而三相全波整流波形的脉动周期是60°。②三相半波整流波形的脉动幅度和输出电压平均值。三相半波整流波形的脉动幅度是：U=UP（1sin30°）（2-7）式中：U是脉动幅度电压，UP是正弦半波幅值电压，比如有效值为380V的线电压，其半波幅值电压为：UP=380V2532V（2-8）那么其脉动幅度电压就是：U=532V（1sin30°）266V输出电压平均值Ud是从30º150°积分得到，V3747.1V2207.1ttdsin223dAdUUU（2-9）式中Ud是输出电压平均值，UA是相电压有效值。如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值UP。③三相全波整流波形的脉动幅度和输出电压平均值三相全波整流波形的脉动幅度是：U=UP（1Sin60°）=532V0.134=71.3V输出电压平均值Ud是从60°120°积分得：V51434.235.1ttdsin23dABABdUUUU（2-10）式中Ud是输出电压平均值，UAB是线电压有效值。如果滤波后再经电容滤波，则输出电压就接近于幅值UP。从上面的计算还可以看出，三相全波整流比三相半波整流优越得多，三相全波整流用比半波整流小得多的电容器就可以达到最大值UP。因此，UPS的输入整流器中都采用了三相全波整流电路。（3）三相6脉冲整流上面介绍的三相全波整流是不稳压的，因此在UPS中都用可控硅整流器（简称可控硅）代替二极管整流器，如图2-7所示。UoUAVS1VS2VS3UBCRUCVS4VS5VS6图2-7三相桥式6脉冲全控整流电路原理图图中的可控硅整流器VS和二极管整流器VD的工作方式有很大区别。1.二极管整流器VD阳极和阴极之间的正向电压只要大于其PN结的势垒电压，二极管就导通。而可控硅整流器VS在其控制极没有加上触发信号时，只要其阳极和阴极6之间的正向电压不大到把管子击穿，它就不导通。2.可控硅整流器VS的导通条件如下。•阳极和阴极之间的正向电压对于二极管整流器来说，这个电压只要在0.7V左右时就开始导通了，但可控硅整流器则需要在6V以上。•控制极触发信号电压。可控硅一般都用脉冲触发，要求这个电压脉冲要有一定的幅度和宽度。没有一定的幅度就不能抵消PN结的势垒电压，没有一定的宽度就不能有足够的时间使导通由一点扩散到整个PN结。一般要求幅度为35V，宽度为410s，触发电流5300mA。•维持电流。是指可以维持可控硅整流器VS导通的最小电流，一般规定小于20mA。•掣住电流。是指可控硅被打开而控制极触发信号电压消失后，可以维持继续导通的最小电流，这个电流一般是维持电流的若干倍。控制角与导通角。为了表征可控硅对交流电压的控制行为而引出的这两个参量。图2-8所示是控制角与导通角的关系。下面就对它们的含义进行讨论。控制角。当交流正半波加到可控硅上时，就具有了使可控硅导通的基础条件，那么什么时候给可控硅控制极加触发信号使其开通呢？从交流正弦波过0开始，一直到可控硅被触发导通（时间b）的这段可控硅不导通的时间ob，称为控制角，用表示。由于可控硅开启很快，一般小于1s，故认为加触发信号的时间就是可控硅被打开的时间，即一般都把开启时间都忽略不计。导通角。由于可控硅的开启是一个正反馈过程，故打开后就不能自动关断，这个导通过程要一直延续到电压（吴川：电流过0？）过0。从开启到截止这段时间称为导通角，用表示。aS1S2otb180°图2-8控制角与导通角的关系UPS中的输入整流器就是利用对上述这两个参量的控制来实现稳压的，一般称这种控制为“相控”。很明显，在这里+=180°，就是说只要知道这两个参数中的一个，另一个也就知道了。（4）6相全波整流及12脉冲整流在一些UPS中为了提高输入功率因数或者提高功率容量，就采用了6相全波整流及12脉冲整流。实际上，在UPS中都是采用的6相全波相控整流，也就是通常所说的12脉冲整流。既然是12脉冲，就说明了两的问题：一个是采用了12只可控硅，一个是有6相输入电源。图2-9所示是12脉冲整流电路。不难看出，两个整流器的结构一模一样，都是三相6脉冲整流，不同的是两个整流器输入变压器的结构不同，一个变压器绕组是“”7Ud图2-912脉冲整流电路型连接，一个变压器绕组是“Δ”型连接。这样连接的结果就使二者的电压相位差为30º，也即整流脉动的最大宽度是30º。由此得出多相整流时的最大脉动宽度（即可控硅导通时间）表达式为：max=2/P其中P为控制脉冲数，比如6脉冲时是60º，12脉冲时是30º，18脉冲时是20º，24脉冲时是15º等，脉动周期越小，其整流输出电压越高、越接近交流电压峰值，其表达式为在区间的积分：cos/πsinπ/2ttdcos2π2AAdPPUUPU（2-11）对于12脉冲半波整流来说，当=0时，Ud=1.414220（P/）sin15ºcos0º=309V（2-12）这已是220V相电压的峰值；若是12脉冲全波整流，其值为：cos/πsinπ/22AdPPUU当=0时其整流电压Ud=618V图2-9中两个一样的整流器的输出是通过各自的扼流圈后进行并联的，目的是使二者的输出电流均衡。因为