電力操作電源系統

電力操作電源系統高頻開關電源技術 交流不間斷電源直流操作電源2/2/20231電力操作電源系統原理框圖2/2/20232一、高頻開關電源技術直流穩壓電源簡介高頻開關電源原理介紹高頻開關電源各部分電路2/2/20233直流穩壓電源簡介線性穩壓電源：交流電源經過工頻變壓器變壓、整流、濾波，再經過晶體調整管整定輸出直流電壓。電源存在如下的缺點：變壓器由于工作在工頻頻率，在輸出較大功率時體積大、笨重；晶體調整管由于工作在放大狀態，等效于一個可變電阻器。整機的效率低于50%。2/2/20234直流穩壓電源簡介晶閘管可控硅相控電源：交流電源經過工頻變壓器變壓隔離，再經過晶閘管轉換成50Hz脈沖電壓，再經過電抗器及輸出濾波器濾波，將輸入轉換成穩定的直流輸出電壓。2/2/20235直流穩壓電源簡介穩壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經過與基準電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈沖信號控制晶閘管的導通角，當輸出電壓下降，晶閘管的導通角增大，晶閘管的導通時間增加，輸出電壓上升；當輸出電壓上升，晶閘管的導通角減小，晶閘管的導通時間減小，輸出電壓下降。2/2/20236直流穩壓電源簡介該穩壓電源與線性穩壓電源比較，晶閘管工作在開通與截止兩種狀態，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通時的電流沖擊，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，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、通風的問題。電源效率只在60%～80%左右。2/2/20237直流穩壓電源簡介開關型穩壓電源：交流電源經過整流、濾波變成直流，再經過高頻變壓器及高頻開關管，將直流電轉換成高頻脈沖輸出，高頻脈沖信號經過快恢復整流管整流、電抗器及輸出濾波器濾波變成穩定的輸出直流電壓。2/2/20238直流穩壓電源簡介其穩壓原理是通過采樣得到的輸出電壓變化量，經過與SMP控制器的基準電壓值在誤差放大器中比較放大之后，輸出脈寬信號控制開關管的導通與截止，當輸出電壓下降，脈寬展寬，開關管的導通時間增加，輸出電壓上升；當輸出電壓上升，脈寬減小，開關管的導通時間減小，輸出電壓下降。該穩壓電源與晶體管線性穩壓電源比較，開關管工作在導通與截止兩種狀態，減小了晶體管的功率損耗。電源效率在80%～94%左右。2/2/20239開關穩壓電源與相控電源比較2/2/202310高頻開關電源原理2/2/202311高頻開關電源原理－－主電路

原邊檢測控制電路：監視交流輸入電網的電壓，實現輸入過壓、欠壓、缺相保護功能及軟啟動的控制。EMI輸入濾波器：其作用是將電網存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產生的雜波反饋到公共電網。軟啟動：消除開機浪涌電流。2/2/202312高頻開關電源原理－－主電路整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。全橋變換：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。2/2/202313高頻開關電源原理控制電路：一方面從輸出端取樣，經與設定標準進行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。檢測電路：除了提供保護電路中正在運行中各種參數外，還提供各種顯示儀表數據。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高頻開關電源各部分電路輸入軟起動：繼電器J為常開觸點，合上交流輸入時，交流電源經整流后通過限流電阻R對電容充電，當電容充滿后，控制繼電器J閉合，避免大電流對電容的沖擊。2/2/202317高頻開關電源各部分電路輸出直流濾波2/2/202318高頻開關電源各部分電路DC/DC全橋變換：高頻開關管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兩組開關管柵極的對稱倒相脈沖實現該兩組組開關管依次導通或截至，以實現DC/DC的高頻變換過程。2/2/202319高頻開關電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程*t0<t<t1：t=t0時，主回路中A、D兩管同時導通，B、C兩管處于關斷狀態，電源電壓Ui加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感Lo和負載上，主回路的電流It線性增加，電源向負載輸送能量。*t1<t<t2：在t=t1時，A、D兩管同時關斷，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，此時靠輸出電感Lo及電容Co的續流儲能向負載輸送能量。2/2/202320*t2<t<t3：t=t2時，主回路中B、C兩管同時導通，A、D兩管處于關斷狀態，電源電壓加在變壓器兩端，通過變壓器加在輸出電感Lo和負載上，主回路的電流It線性增加，電源再次向負載輸送能量。*t3<t<t4：在t=t3時，B、C兩管同時關斷，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，此時再次靠輸出電感Lo及電容Co的續流儲能向負載輸送能量。高頻開關電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程2/2/202321高頻開關電源各部分電路DC/DC全橋變換工作過程2/2/202322高頻開關電源各部分電路脈寬調制控制器：開關電源輸出電壓的變化取決于功率變換電路的開關管導通時間，導通時間越長，則電容兩端電壓升高越多；開關管關閉時間越長，則電容兩端電壓降低越多。為了調節開關電源輸出電壓，就必須控制開關管的柵極驅動。通過采用脈沖寬度調制方式（PWM方式）來控制開關電源的輸出電壓。如使開關電源輸出電壓升高，則開關管驅動的脈沖要加寬，即脈沖寬度固定，在單位時間內的導通次數增加，保證總的導通時間加長。反之亦然。2/2/202323高頻開關電源各部分電路2/2/202324高頻開關電源各部分電路脈寬調制控制器工作原理：開關電源輸出電壓Vo通過電阻分壓，分壓后的電壓為V1，接到放大器的負端，放大器的正端接標準穩壓電源（例如LM7805）輸出Vt，放大器輸出電壓為V2，接比較器正端，比較器負端接斜波發生器。斜波發生器產生一個固定頻率和幅度的斜波，V2與斜波比較后輸出脈沖波形。穩壓原理：*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高頻開關電源－－軟開關技術2/2/202326高頻開關電源－－軟開關技術在全橋相移ZVZCS的基本原理圖中，與硬開關相比，增加了一個飽和電感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適當配合，能夠使全橋被動臂上的主開關管（A、B）達到零電流開關（ZCS）的效果，而主動臂上的主開關管（C、D）仍然處于零電壓開關（ZVS）的狀態。2/2/202327高頻開關電源－－軟開關技術t0<t<t1：主回路中A，D兩管導通，飽合電感Ls處于飽合狀態，電感量很小，可以認為是短路狀態。電源電壓通過變壓器加在輸出電感Lo和負載上，主回路的電流Ip線形增加，電源向負載輸送能量，電容Ce的電壓Vce由負向正逐漸增加。t1<t<t2：在t=t1時，D管關斷，主回路的電流持續，使C管的電容Cr放電，最終使C管的電壓為零，并通過C管的體二極管續流，在t=t2時C管零電壓開通。這個過程與全橋相移ZVS的情況完全一致。此時電容Ce上形成的阻擋電壓Vce達到最大。2/2/202328高頻開關電源－－軟開關技術t2<t<t3：由于Lo的續流作用，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回復到零，當Ip回復到零時，飽合電感Ls退出飽合狀態，呈現出很大的電感量，使Ip維持在零附近一直到A管關斷。t3<t<t4：在t=t3時，A管零電流關斷，經過一個死區時間B管開通。2/2/202329高頻開關電源－－軟開關技術t4<t<t5：B管開通時由于飽合電感Ls尚未飽合，Ip經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Ip達到輸出電流在主回路的折合值，變壓器副邊出現電壓，電源再次向負載輸送能量，電容Ce的電壓Vce由正向負逐漸減小，開始下半個對稱的周期。可見主動臂上的兩只主管（C、D）處于ZVS狀態，其開通損耗為零，同時由于電容Cr（r=a，b，c，d）的存在，降低了主管關斷時電壓的上升斜率，關斷損耗也得到降低，被動臂上的兩只主管（A、B）處于ZCS狀態，其關斷損耗為零，同時由于飽和電感Ls的存在，降低了主管開通時電流的上升斜率，使整個開關損耗大大降低。2/2/202330高頻開關電源－－軟開關技術2/2/202331一體化電源裝置結構示意圖2/2/202332二、交流不間斷電源電力專業交流不間斷電源系統分為電力專用UPS系統和電力逆變電源系統；電力專用UPS含有整流器和逆變器，正常運行時交流輸入經整流器變為直流后再經過逆變器變為標準正弦波輸出，電網停電時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行。2/2/202333電力專用UPS系統2/2/202334電力專用UPS系統單電源的UPS系統2/2/202335電力專用UPS系統2/2/202336電力專用逆變電源系統2/2/202337電力專用逆變電源系統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