【導讀】六期連載，解讀UPS標(biao)準(zhun)，研(yan)究(jiu)線(xian)路(lu)阻(zu)抗(kang)對(dui)整(zheng)流(liu)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)這(zhe)類(lei)非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)的(de)影(ying)響(xiang)
，同(tong)時(shi)討(tao)論(lun)針(zhen)對(dui)整(zheng)流(liu)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)這(zhe)類(lei)非(fei)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)逆(ni)變(bian)器(qi)輸(shu)出(chu)特(te)性(xing)的(de)設(she)計(ji)對(dui)策(ce)和(he)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)。

前幾講的討論是為了解決整流電容濾波電路的設計問題，發現如果濾波電感比較小的話，波形係數就比較大，有效值高於平均值的3beiyishang，erfengzhidianliugengshifeichangda。zheyangdefuzaiduidianwangbuyouhao
，jiezainibianqishuchu
，duirongliangyouxiandenibianqishigetiaozhan。suoyiwomenxuyaoyanjiuyixianibianqideshejicelveheceshipinggufangfa。

單相整流電路的電容濾波負載分析

開機衝擊電流

對(dui)於(yu)單(dan)相(xiang)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)負(fu)載(zai)開(kai)機(ji)的(de)時(shi)候(hou)，由(you)於(yu)電(dian)容(rong)中(zhong)沒(mei)有(you)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)
，電(dian)壓(ya)為(wei)零(ling)
，所(suo)以(yi)第(di)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)會(hui)出(chu)現(xian)一(yi)個(ge)大(da)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)


，這(zhe)對(dui)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)流(liu)應(ying)力(li)和(he)電(dian)網(wang)的(de)衝(chong)擊(ji)都(dou)很(hen)大(da)
，在(zai)通(tong)用(yong)變(bian)頻(pin)器(qi)設(she)計(ji)中(zhong)一(yi)般(ban)會(hui)有(you)個(ge)直(zhi)流(liu)母(mu)線(xian)電(dian)容(rong)的(de)預(yu)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)
，有(you)些(xie)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)可(ke)以(yi)用(yong)負(fu)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)的(de)電(dian)阻(zu)抑(yi)製(zhi)開(kai)機(ji)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)，難(nan)免(mian)有(you)不(bu)少(shao)設(she)計(ji)對(dui)開(kai)機(ji)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)抑(yi)製(zhi)不(bu)力(li)。

電流峰值

第五講《整流電容濾波負載實例》中分析了一個類空調的單相全橋整流電路
，其平均功率在700瓦水平，電容取值1500uf
，當濾波電感為1mH時
，二極管上峰值電流高達15.4A，比平均電流1.2A高12倍。這樣的輸入特性功率因數低，諧波電流大
，對電網非常不友好，不能滿足GB17625.1低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）要求。

這樣的衝擊電流和峰值電流，往往會超過逆變器150%的超載能力
，也會超過逆變器功率開關IGBT的反向工作安全區，即兩倍的器件標稱電流。

逆變器的設計策略

從cong一yi般ban的de分fen析xi中zhong知zhi道dao
，增zeng加jia線xian路lu阻zu抗kang，能neng有you效xiao降jiang低di衝chong擊ji電dian流liu和he峰feng值zhi電dian流liu。由you於yu電dian感gan上shang的de電dian流liu不bu能neng突tu變bian，串chuan接jie電dian感gan是shi個ge好hao方fang法fa。但dan對dui於yu逆ni變bian器qi來lai說shuo
，還hai可ke以yi從cong源yuan頭tou解jie決jue問wen題ti

，即ji通tong過guo控kong製zhi環huan的de參can數shu設she置zhi來lai降jiang低di衝chong擊ji電dian流liu。

UPS應用中這一問題最突出，尤其單相無輸出變壓器的高頻機，它們麵對的負載是台式PC機或服務器，開機衝擊電流大
，不帶PFC；早年的CRT顯示器有消磁線圈，用正溫度係數的電阻人為造成開機衝擊消磁電流。麵對很嚴酷的工況，UPS廠商找到了一種合理的解決方案，並製定的標準。方法就是降低UPS中逆變器的瞬態相應
，把輸出特性做軟

，避免輸出大電流。

這就是IEC62040-3:1999《不間斷電源設備第3部分：確定性能的方法和試驗要求》中的5.3.1規定的穩態和動態輸出電壓特性。在標準裏定義了三類動態輸出性能。

逆變器的瞬態響應

最嚴的一類動態輸出性能
，規定了在UPS在負載突變的情況下，輸出電壓允許有30%的跌落和過衝，但5秒後必須進入電壓恢複階段，20毫秒（50Hz係統的一個周期）內恢複到+/-14%

，100毫秒內恢複穩態+/-10%。這樣的特性已經有助於降低衝擊電流和電流峰值。但正弦電壓可能有削峰的現象，一般不影響負載正常工作。

圖1.一類動態輸出性能

二類動態輸出性能特性很軟，在大的衝擊電流下
，輸出降到零，以最大程度降低負載對UPS中逆變器的衝擊，這種短時間的斷電對整流濾波負載幾乎沒有什麼太大影響。

圖2.二類動態輸出性能

三類動態輸出性能是為後備式UPS定義的
，由於後備式有電網和逆變器之間的切換時間和逆變器的啟動時間。10毫秒的停電，大多數的開關電源可以接受，但用於照明已經可以感受到明顯的間斷。

圖3.三類動態輸出性能

逆變器的基準非線性負載

我們定義的UPS輸出瞬態響應特性，那就需要有測試方法
，IEC62040-3除了在正文中規定了階躍性負載外，標準還有規範性附錄《準非線性負載》
，這是我們討論的整流電容濾波負載很好的參考。

為了模擬一個單相穩態整流/電容器負載，接到UPS的負載是一個二極管整流橋。橋的輸出側接有一個電容器、電阻並聯電路。總的單相負載可按下圖連接的單個負載，或多個等效並聯負載構成。

基準非線性負載

負載配置計算方法

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：線性負載兩端的表觀功率---功率因數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，設定其消耗有功功率為總表觀功率S的66%。

Rs：串聯的線性電阻，設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%峰穀值紋波電壓，相應的時間常數為R1×C=7.5/f。

根據峰值電壓，電網電壓畸變，電網電纜壓降和整流電壓的紋波
，整流電壓平均值Uc按經驗應為：

電阻Rs

、R1和電容C(單位：F)的值按下述計算：

試驗方法

基準非線性負載與UPS的連接

（a) 對於33kVA以下的單相UPS，所用基準非線性負載的表觀功率S等於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的基準非線性負載，再加上線性負載，使之達到UPS的額定表觀功率和額定有功功率。

（c) 設計用於三相負載
，額定值在100kVA以下的三相UPS，應將三個相等的單相基準非線性負載接到UPS相間或線間。

（d) 額定值在100kVA以上的三相UPS，根據C)款，應使用100kVA的基準非線性負載

，再加上線性負載，使之達到UPS額定表觀功率和額定有功功率。

實例

為1000VA UPS設計一個非線性負載：

那麼：

考慮實驗條件：

那麼：

考慮實驗條件：

仿真

對於整流濾波負載
，如果沒有電感的話
，二極管峰值電流會很大，設線路阻性阻抗0.1歐姆，峰值電流超過30A
，對電容充電時間隻有1.29毫秒，占半周期的12.9%，這樣高次諧波電流很大
，功率因數很低。從實際負載消耗的有功功率僅746W，而視在功率是1687VA
，功率因數為0.44。

2歐姆線路阻抗是基準非線性負載規定值，峰值電流也高達13A,但實際負載消耗的有功功率僅660W，而視在功率是992VA
，功率因數為0.67。

市電校正

把這一基準非線性負載接到220V市電上去
，由於線路實際存在阻性阻抗
，沒有串聯2歐姆的Rs。實際測到峰值電流Ipk=22.5A
，有效值電流為6.1A。

這時視在功率1381VA，有功功率684W

，功率因數為0.5。

逆變器負載

把這一負載接到1kVA在線式UPS上去

，由於UPS輸出特性比較軟
，綠色的電壓波形有削頂，抑製的峰值電流（紅色）到Ipk=16.5A

，有效值電流6.0A,見下測試波形。

結論

本文是從另外一個角度看整流濾波負載的二極管電流，了解線路阻抗對峰值電流等的影響
，並做了一個視在功率為1000W的基準非線性負載作為實際案例與仿真結果進行對照。

要(yao)降(jiang)低(di)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)上(shang)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，提(ti)高(gao)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，使(shi)用(yong)濾(lv)波(bo)電(dian)抗(kang)器(qi)是(shi)最(zui)合(he)理(li)的(de)方(fang)法(fa)，這(zhe)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)二(er)極(ji)管(guan)的(de)電(dian)流(liu)應(ying)力(li)
，提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)，這(zhe)在(zai)通(tong)用(yong)變(bian)頻(pin)器(qi)等(deng)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)。

來源：英飛淩工業半導體

原創：陳子穎  

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