逆變器輸出特性與非線性負載

摘要

六期連載，解讀UPS標(biāo)準(zhǔn)，研究線路阻抗對整流電容濾波這類非線性負載的影響，同時討論針對整流電容濾波這類非線性負載逆變器輸出特性的設(shè)計對策和測試方法。

之前的討論是為了解決整流電容濾波電路的設(shè)計問題，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。這樣的負載對電網(wǎng)不友好，接在逆變器輸出，對容量有限的逆變器是個挑戰(zhàn)。所以我們需要研究一下逆變器的設(shè)計策略和測試評估方法。

單相整流電路的電容濾波負載分析

開機沖擊電流

對于單相整流電路的電容濾波負載開機的時候，由于電容中沒有儲存能量，電壓為零，所以第一個周期會出現(xiàn)一個大的浪涌電流，這對整流電路的電流應(yīng)力和電網(wǎng)的沖擊都很大，在通用變頻器設(shè)計中一般會有個直流母線電容的預(yù)充電電路，有些整流電路設(shè)計可以用負溫度系數(shù)的電阻抑制開機沖擊電流，難免有不少設(shè)計對開機沖擊電流抑制不力。

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(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，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(shù)低，諧波電流大，對電網(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，往往會超過逆變器150%的超載能力，也會超過逆變器功率開關(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，串接電感是個好方法。但對于逆變器來說，還可以從源頭解決問題，即通過控制環(huán)的參數(shù)設(shè)置來降低沖擊電流。

UPS應(yīng)用中這一問題最突出，尤其單相無輸出變壓器的高頻機，它們面對的負載是臺式PC機或服務(wù)器，開機沖擊電流大，不帶PFC；早年的CRT顯示器有消磁線圈，用正溫度系數(shù)的電阻人為造成開機沖擊消磁電流。面對很嚴酷的工況，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要求》中的5.3.1規(guī)定的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)輸出電壓特性。在標(biāo)準(zhǔn)里定義了三類動態(tài)輸出性能。

逆變器的瞬態(tài)響應(yīng)

最嚴的一類動態(tài)輸出性能，規(guī)定了在UPS在負載突變的情況下，輸出電壓允許有30%的跌落和過沖，但5秒后必須進入電壓恢復(fù)階段，20毫秒（50Hz系統(tǒng)的一個周期）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，一般不影響負載正常工作。

圖1.一類動態(tài)輸出性能

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

圖2.二類動態(tài)輸出性能

三類動態(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間和逆變器的啟動時間。10毫秒的停電，大多數(shù)的開關(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。

圖3.三類動態(tài)輸出性能

逆變器的基準(zhǔn)非線性負載

我們定義的UPS輸出瞬態(tài)響應(yīng)特性，那就需要有測試方法，IEC62040-3除了在正文中規(guī)定了階躍性負載外，標(biāo)準(zhǔn)還有規(guī)范性附錄《準(zhǔn)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(wěn)態(tài)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(cè)接有一個電容器、電阻并聯(lián)電路。總的單相負載可按下圖連接的單個負載，或多個等效并聯(lián)負載構(gòu)成。

基準(zhǔn)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(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)驗應(yīng)為：

Uc=√2×0.92×0.96×0.975×U=1.22×U

電阻Rs、R1和電容C(單位：F)的值按下述計算：

Rs=0.04×U²/S

R1=Uc²/(0.66×S)

C=7.5/(f×R1)

試驗方法

基準(zhǔn)非線性負載與UPS的連接

（a) 對于33kVA以下的單相UPS，所用基準(zhǔn)非線性負載的表觀功率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(shè)計用于三相負載，額定值在100kVA以下的三相UPS，應(yīng)將三個相等的單相基準(zhǔn)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(jù)C)款，應(yīng)使用100kVA的基準(zhǔn)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(shè)計一個非線性負載：

Uc=√2×0.92×0.96×0.975×U=1.22×U=1.22*220=268V

那么：

R1=Uc²/(0.66×S)=268²/(0.66*1000)=109 ohm

Rs=0.04×U²/S=0.04x220²/1000=1.9ohm

考慮實驗條件：

R1=121 ohm

那么：

C=7.5/(50×121)=1240 uf

考慮實驗條件：

C=1210 uf

仿真

對于整流濾波負載，如果沒有電感的話，二極管峰值電流會很大，設(shè)線路阻性阻抗0.1歐姆，峰值電流超過30A，對電容充電時間只有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。從實際負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)非線性負載規(guī)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(shù)為0.67。

市電校正

把這一基準(zhǔn)非線性負載接到220V市電上去，由于線路實際存在阻性阻抗，沒有串聯(lián)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(shù)為0.5。

逆變器負載

把這一負載接到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,見下測試波形。

結(jié)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，并做了一個視在功率為1000W的基準(zhǔn)非線性負載作為實際案例與仿真結(jié)果進行對照。

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)計中要考慮。