【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 流通過(guò)整流器變成直流 ,然后再經(jīng)過(guò)逆變器將直流變換成可控頻率的交流 .而直接變頻器是將工頻電流直接變換成可控頻率的交流 ,沒(méi)有中間的直流環(huán)節(jié) .它的每相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆電路 .正反兩組按一定周期相互13 切換 ,在負(fù)荷上就獲得了交變輸出 的電壓 U0,U0 的幅值決定于各整流裝置的控制角 ,頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率 .目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器 . 間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式 : (1)用可控整流器變壓 ,用逆變器變頻 ,調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行 ,兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合 。 (2)用不可控整流器整流斬波器變壓 ,用逆變器變頻 ,這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器 ,用脈寬調(diào)壓 : (3)用不可控整流器整流 ,用 PWM 逆變器變頻 ,這種變頻器只有采用可控關(guān)斷式器件 (如 IGBT 等 ),輸出波形才會(huì)非常逼近正弦波。 無(wú)論哪一種變頻器 ,都大量使用了晶閘管等 非線性電力電子元件 ,不管采用哪種整流方式 ,變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波 ,而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流 ,這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上 ,使電壓發(fā)生畸變 ,經(jīng)過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分析可知 ,這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成 . 諧波的危害 一般來(lái)講 ,變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯 ,而對(duì)容量小的系統(tǒng) ,諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視 ,它對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染 .諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的 ,主要表現(xiàn)在 : (1)諧波對(duì)供電線路產(chǎn) 生了附加損耗 .由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng) ,使線路電阻隨頻率增加而提高 ,造成電能的浪費(fèi) 。由于中性線正常時(shí)流過(guò)電流很小 ,故其導(dǎo)線較細(xì) ,當(dāng)大量的三次諧波流過(guò)中性線時(shí) ,會(huì)使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞 。 (2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作 .對(duì)如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲 。對(duì)斷路器 ,當(dāng)電流波形過(guò)零點(diǎn)時(shí) ,由于諧波的存在可能造成高的 di/dt,這將使開(kāi)斷困難 ,并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間 。 (3)諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振 .工頻下 ,系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多 ,不會(huì)產(chǎn) 生諧振 ,但諧波頻率時(shí) ,感抗值成倍增加而容抗值成倍減少 ,這就有可能出現(xiàn)諧振 ,諧振將放大諧波電流 ,導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀 。 (4)諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振 ,從而使諧波放大 ,這就使上述危害大大增加 ,甚至引起嚴(yán)重的責(zé)任事故 。 (5)諧波將使得繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作 ,并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差 。諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大 :如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾 ,輕者出現(xiàn)噪聲 ,降低通信質(zhì)量 ,重者丟失信息 ,使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作 。影響電子設(shè)備工作精度 ,使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低 。設(shè)備壽命縮短 ,家用 電器工14 況變壞等 . 電力系統(tǒng)在低頻率運(yùn)行 電力系統(tǒng)低頻運(yùn)行是非常危險(xiǎn)的 ,因?yàn)殡娫磁c負(fù)荷在低頻率下重新平衡很不牢固 ,也就是說(shuō)穩(wěn)定性很差 ,甚至產(chǎn)生頻率崩潰 ,會(huì)嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行 ,并對(duì)發(fā)電設(shè)備和用戶造成嚴(yán)重?fù)p壞 ,主要表現(xiàn)為以下幾方面 : （ 1）引起汽輪機(jī)葉片斷裂。在運(yùn)行中 ,汽輪機(jī)葉片由于受不均勻汽流沖擊而發(fā)生振動(dòng)。在正常頻率運(yùn)行情況下 ,汽輪機(jī)葉片不發(fā)生共振。當(dāng)?shù)皖l率運(yùn)行時(shí) ,末級(jí)葉片可能發(fā)生共振或接近于共振 ,從而使葉片振動(dòng)應(yīng)力大大增加 ,如時(shí)間過(guò)長(zhǎng) ,葉片可能損傷甚至斷裂。 (2)使發(fā)電機(jī)出力降低 ,頻率降低 ,轉(zhuǎn)速下降 ,發(fā)電機(jī)兩端的風(fēng)扇鼓進(jìn)的風(fēng)量減小 ,冷卻條件變壞 ,如果仍維持出力不變 ,則發(fā)電機(jī)的溫度升高 ,可能超過(guò)絕緣材料的溫度允許值 ,為了使溫升不超過(guò)允許值 ,勢(shì)必要降低發(fā)電機(jī)出力。 (3)使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降。因?yàn)轭l率下降時(shí) ,會(huì)引起機(jī)內(nèi)電勢(shì)下降而導(dǎo)致電壓降低 ,同時(shí) ,由于頻率降低 ,使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低 ,同軸勵(lì)磁電流減小 ,使發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓進(jìn)一步下降。 (4)對(duì)廠用電安全運(yùn)行的影響。當(dāng)?shù)皖l運(yùn)行時(shí) ,所有廠用交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都相應(yīng)的下降 ,因而火電廠的給水泵、風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等輔助設(shè)備的出力也將下降 ,從而影響電廠的出力。其中影響最 大的是高壓給水泵和磨煤機(jī) ,由于出力的下降 ,使電網(wǎng)有功電源更加缺乏 ,致使頻率進(jìn)一步下降 ,造成惡性循環(huán)。 (5)對(duì)用戶的危害 :頻率下降 ,將使用戶的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降 ,出力降低 ,從而影響用戶產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。另外 ,頻率下降 ,將引起電鐘不準(zhǔn) ,電氣測(cè)量?jī)x器誤差增大 ,安全自動(dòng)裝置及繼電保護(hù)誤動(dòng)作等。 UPS 系統(tǒng)功能概述 系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)當(dāng)市電輸入出現(xiàn)故障，突然停電時(shí)， UPS 替代市電實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間的對(duì)負(fù)載持續(xù)供電，保證負(fù)載正常工作。 在市電質(zhì)量較差時(shí)，通過(guò)整流濾波電路，提高改善市電質(zhì)量，保證負(fù)載輸入穩(wěn)定，或者在市電不穩(wěn)定時(shí) ，切換 UPS 系統(tǒng)回路，使用備用回路或放電回路，用電池儲(chǔ)備電能在一定時(shí)間內(nèi)替代市電輸出，輸出穩(wěn)定的正弦電，保證生產(chǎn)工作一定時(shí)間內(nèi)正常進(jìn)行，減少因電網(wǎng)崩潰帶來(lái)的損失。 UPS 是針對(duì)中國(guó)電網(wǎng)環(huán)境和 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控 及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)等對(duì)電源的可靠性要求，克服中、大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集中供電所造成的供電電網(wǎng)環(huán)境日益惡劣的問(wèn)題，以全新的數(shù)字技術(shù)研制出的第三代工頻純?cè)诰€式智能型 UPS。直流電源，是維持電 路中形成穩(wěn)恒電流的裝置。如干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等。 15 UPS 和 直流電源 是企業(yè)重要的供電保障設(shè)備，傳統(tǒng)的維護(hù)管理包括：①日常巡檢外觀，定期更換電池、濾波電容、風(fēng)機(jī)等易損件，大修時(shí)做電池活化等；②改造或采用換代設(shè)備，使用高級(jí)工具測(cè)試電池性能。這種管理方式企業(yè)投入成本高，維護(hù)人員工作量大，不易實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)，設(shè)備事故預(yù)防能力低。實(shí)施在線維護(hù)管理可避免傳統(tǒng)方式的不足之 處，獲得良好效益。 UPS 的中文意思為“不間斷電源”，是英語(yǔ)“ Uninterruptible Power Supply”的縮寫，它可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在停電之后繼續(xù)工作一段時(shí)間以使用戶能夠緊急存盤 ，使用戶不致因停電而影響工作或丟失 數(shù)據(jù) 。 系統(tǒng)工作原 理 UPS 不間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。 (1)蓄電池是電網(wǎng)斷電或者電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變時(shí)為負(fù)載供電的能量來(lái)源，是UPS 實(shí)現(xiàn)其功能的重要保證。 (2)逆變器是 UPS 輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個(gè) UPS 核心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷； (3)旁路輔助電源是為維修、檢修 UPS，或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。 蓄電池技術(shù) 蓄電池技術(shù)的存在是 UPS 系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)的根本 ，自從 1859 年法國(guó)科學(xué)家普朗特以鉛為電極制成鉛酸蓄電池以來(lái)，鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展與完善，已經(jīng)成為世界上廣泛使用的一種化學(xué)電池，鉛酸蓄電池由于其成本低、容量大、安全可靠等特點(diǎn)，在通訊、鐵路、軍事、電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為社會(huì)生產(chǎn)和人類生活中不可缺少的設(shè)備。蓄電池充電本質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程，蓄電池充電裝置實(shí)際上是一個(gè)充電電源，該充電電源通過(guò)一定的控制算法使得輸出電壓和輸出電流與蓄電池充電曲線相吻合。目前，常用的充電電源主要有以下三種：相控電源、線性電源和開(kāi)關(guān)電源。 (1)相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它將市電直接經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出直流，通過(guò)改變可控硅整流器的導(dǎo)通相位角，來(lái)控制電源的輸出電壓。相控電源所使用的變壓器是工頻電源變壓器，它的體積龐大，由此造成相控電源本身體積龐大、效率低下。而且該類電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、可靠性低。目前相控電源已經(jīng)有逐步被淘汰的趨勢(shì)。 (2)線性電源是另一種常見(jiàn)的電源，它是通過(guò)串聯(lián)調(diào)整管，可以連續(xù)控制的電源。線性電源的功率調(diào)整管工作在放大區(qū)，通過(guò)的電流是連續(xù)的。由于調(diào)整管16 上的損耗功率較大，所以需要采用大功率調(diào)整管并需要裝配體積很大的散熱器。 (3)開(kāi)關(guān)電源的研究發(fā)展歷史比較短，在 20 世紀(jì) 60 年代中期開(kāi)始了相關(guān)的研究，并于當(dāng)時(shí)研制出了 DC／ DC 變換器，這為開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。七十年代，出現(xiàn)了使用高頻變換技術(shù)的整流器，它使交流電不經(jīng)過(guò)工頻變換器，而是直接整流再逆變?yōu)楦哳l交流，再整流濾波變?yōu)樗璧闹绷鳌? 隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，尤其是大功率高壓場(chǎng)效應(yīng)管等新型高頻開(kāi)關(guān)器件的出現(xiàn)，使得功率變換器的開(kāi)關(guān)頻率得到很大的提高，減小了功率變換器中的變壓器體積和重量，從而大大減小了開(kāi)關(guān)電源的體積和重量。 開(kāi)關(guān)電源由最初的低頻開(kāi) 關(guān)電源發(fā)展到高頻開(kāi)關(guān)電源，其開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，控制技術(shù)也越來(lái)越完善，在蓄電池充電裝置的設(shè)計(jì)中，正是由于開(kāi)關(guān)電源的性能越來(lái)越完善，已逐步成為充電功率主電路設(shè)計(jì)的首選。 不間斷供電原理 圖 22 UPS工作原理框圖 對(duì)比圖 21 和圖 22 得知 (1)在交流輸入電源正常的情況下，整流器一方面為逆變器提供直流輸入電壓，同時(shí)另一方面向蓄電池充電，使蓄電池儲(chǔ)存能量；一旦交流輸入電壓發(fā)生異?；驍嚯?、或者整流器發(fā)生故障時(shí)，整流器就無(wú)直流輸出，這時(shí)蓄電池自動(dòng)代替整流器向逆變器提供直流輸入電壓，逆變器仍能正常 工作。當(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復(fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。 (2)當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，很明顯，圖 21 所示結(jié)構(gòu)的 UPS 就不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電。 解決的辦法有兩個(gè)：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。具體來(lái)說(shuō) :如果有逆變器的備用單元，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)立即切換至備用單元，保證負(fù)載的不間斷供電，這時(shí)負(fù)載得到的仍是穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電； ，當(dāng)逆變器故障時(shí)，通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速切換至靜態(tài)旁路電源，向負(fù)載供電，不過(guò)，這時(shí)負(fù)載得 到的是市電，供電質(zhì)量比較差，無(wú)穩(wěn)壓穩(wěn)頻性能，但保證了負(fù)載不間斷供電。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運(yùn)行。 17 (3)如果市電交流輸入不正常的同時(shí)，逆變器又發(fā)生故障，這時(shí)要保證負(fù)載的不間斷供電，可采用既有逆變器備用單元，又有靜態(tài)旁路電源的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)交流輸入恢復(fù)正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦?，通過(guò)靜態(tài)旁路電源向負(fù)載供電；或者通過(guò)逆變器向負(fù)載供電。這種方案可保證負(fù)載的供電不間斷。 (4)電源裝置根據(jù)實(shí)際情況需要定期檢修，這時(shí)必須斷開(kāi)逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負(fù)載供電的不間斷，這時(shí)可采用增加維修旁路電源的方案。當(dāng)電源裝置維 修時(shí)，通過(guò)維修旁路開(kāi)關(guān)切換至維修旁路電源，此電源取自市電；一旦維修完畢，即切換至逆變器供電或靜態(tài)旁路電源供電。 綜上所述，不間斷供電的原理實(shí)質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電 :采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計(jì)方案。 逆變器原理 逆變器是在線式交流 UPS 不間斷電源的核心，因?yàn)樵谠诰€式 UPS 系統(tǒng)中，無(wú)論市電正常與否，逆變電路都必須正常工作，除非逆變器發(fā)生故障，這是在線式UPS 的特點(diǎn)決定的。因此，逆變器的設(shè)計(jì)在整個(gè) UPS 設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。 逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?,實(shí)現(xiàn)逆變的電路稱為 逆變電路。 UPS 不間斷電源的交流輸出側(cè)直接和負(fù)載相連，其中的逆變電路屬于無(wú)源逆變。 在許多場(chǎng)合，電網(wǎng)提供的 50Hz 工頻電源不能滿足負(fù)載的特殊需要。 UPS 不間斷電源的負(fù)載就是那些對(duì)電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性、波形畸變等有著嚴(yán)格的要求，且絕不允許瞬時(shí)停電的特殊負(fù)載。逆變器的主要功能就是將整流 /充電器輸出的直流電壓變換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻 CVCF 的交流電。 、逆變電路主要性能參數(shù) 描述逆變器性能的參量和技術(shù)條件很多，這里僅就評(píng)價(jià)逆變器時(shí)常用的技術(shù)參數(shù)做一扼要說(shuō)明。 （ 1）使用環(huán)境條件 逆變器正常使用條件：海拔高度 不超過(guò) 1000m，空氣溫度 0～ +40℃。 （ 2）直流輸入電源條件 輸入直流電壓波動(dòng)范圍：蓄電池組額定電壓值的177。 15%。 （ 3）額定輸出電壓 在規(guī)定的輸入電源條件下，輸出額定電流時(shí)，逆變器應(yīng)輸出的額定電壓值。電壓波動(dòng)范圍：?jiǎn)蜗?220V177。 5%，三相 380177。 5%。 （ 4）額定輸出電流 在規(guī)定的輸出頻率和負(fù)載功率因數(shù)下，逆變器應(yīng)輸出的額定電流值。 （ 5）額定輸出頻率 18 在規(guī)定的條件下，固定頻率逆變器的額定輸出頻率為 50Hz： 頻率波動(dòng)范圍： 50Hz177。 2%。 （ 6）最大諧波含量 正 弦波逆變器，在阻性負(fù)載下，輸出電壓的最大諧波含量應(yīng)≤ 10%。 （ 7）過(guò)載能力 在規(guī)定的條件下，在較短時(shí)間內(nèi)，逆變器輸出超過(guò)額定電流值的能力。逆變器的過(guò)載能力應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。 （ 8）效率 在額定輸出電壓、輸出、電流和規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，逆變器輸出有功功率與輸入有功功率 (或直流功率 )之比。 （ 9）負(fù)載功率因數(shù) 逆變器負(fù)載功率因數(shù)的允許變化范圍，推薦值 ― 。 （ 10）負(fù)載的非對(duì)稱性 在 10%的非對(duì)稱負(fù)載下，固定頻率的三相逆變器輸出電壓的非對(duì)稱性應(yīng)≤10%。 （ 11）輸出電壓的不對(duì)稱度 在正常工作條件下，各相負(fù)載對(duì)稱，輸出電壓的不對(duì)稱度應(yīng)≤ 5%。 （ 12）起動(dòng)特性 在正常工作條件下，逆變器在滿載負(fù)載和空載運(yùn)行條件下，應(yīng)能連續(xù) 5 次正