电力操作电源系统

电力操作电源系统高频开关电源技术 交流不间断电源直流操作电源2/2/20231电力操作电源系统原理框图2/2/20232一、高频开关电源技术直流稳压电源简介高频开关电源原理介绍高频开关电源各部分电路2/2/20233直流稳压电源简介线性稳压电源：交流电源经过工频变压器变压、整流、滤波，再经过晶体调整管整定输出直流电压。电源存在如下的缺点：变压器由于工作在工频频率，在输出较大功率时体积大、笨重；晶体调整管由于工作在放大状态，等效于一个可变电阻器。整机的效率低于50%。2/2/20234直流稳压电源简介晶闸管可控硅相控电源：交流电源经过工频变压器变压隔离，再经过晶闸管转换成50Hz脉冲电压，再经过电抗器及输出滤波器滤波，将输入转换成稳定的直流输出电压。2/2/20235直流稳压电源简介稳压原理是通过采样得到的输出电压变化量，经过与基准电压值在误差放大器中比较放大之后，输出脉冲信号控制晶闸管的导通角，当输出电压下降，晶闸管的导通角增大，晶闸管的导通时间增加，输出电压上升；当输出电压上升，晶闸管的导通角减小，晶闸管的导通时间减小，输出电压下降。2/2/20236直流稳压电源简介该稳压电源与线性稳压电源比较，晶闸管工作在开通与截止两种状态，减小了晶体管的功率损耗。但电源变压器同样工作在工频频率，为了使输出电压纹波较小及减小导通时的电流冲击，要求有较大电感量的电抗器及较大容量的滤波电容，同样的在输出较大功率时，变压器、电抗器及电容的体积大及笨重，变压器、电抗器铁损及铜损较大，有温升散热、通风的问题。电源效率只在60%～80%左右。2/2/20237直流稳压电源简介开关型稳压电源：交流电源经过整流、滤波变成直流，再经过高频变压器及高频开关管，将直流电转换成高频脉冲输出，高频脉冲信号经过快恢复整流管整流、电抗器及输出滤波器滤波变成稳定的输出直流电压。2/2/20238直流稳压电源简介其稳压原理是通过采样得到的输出电压变化量，经过与SMP控制器的基准电压值在误差放大器中比较放大之后，输出脉宽信号控制开关管的导通与截止，当输出电压下降，脉宽展宽，开关管的导通时间增加，输出电压上升；当输出电压上升，脉宽减小，开关管的导通时间减小，输出电压下降。该稳压电源与晶体管线性稳压电源比较，开关管工作在导通与截止两种状态，减小了晶体管的功率损耗。电源效率在80%～94%左右。2/2/20239开关稳压电源与相控电源比较2/2/202310高频开关电源原理2/2/202311高频开关电源原理－－主电路

原边检测控制电路：监视交流输入电网的电压，实现输入过压、欠压、缺相保护功能及软启动的控制。EMI输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。软启动：消除开机浪涌电流。2/2/202312高频开关电源原理－－主电路整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。全桥变换：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2/2/202313高频开关电源原理控制电路：一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。检测电路：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。辅助电源：提供所有单一电路的不同要求电源。2/2/202314高频开关电源各部分电路EMI滤波电路抗干扰电容滤波电容2/2/202315高频开关电源各部分电路三相整流电路：采用一块三相整流集成电路2/2/202316高频开关电源各部分电路输入软起动：继电器J为常开触点，合上交流输入时，交流电源经整流后通过限流电阻R对电容充电，当电容充满后，控制继电器J闭合，避免大电流对电容的冲击。2/2/202317高频开关电源各部分电路输出直流滤波2/2/202318高频开关电源各部分电路DC/DC全桥变换：高频开关管A、D和B、C组成桥的两臂，高频变压器T连接在它们中间。通过加在A、D和B、C两组开关管栅极的对称倒相脉冲实现该两组组开关管依次导通或截至，以实现DC/DC的高频变换过程。2/2/202319高频开关电源各部分电路DC/DC全桥变换工作过程*t0<t<t1：t=t0时，主回路中A、D两管同时导通，B、C两管处于关断状态，电源电压Ui加在变压器两端，通过变压器加在输出电感Lo和负载上，主回路的电流It线性增加，电源向负载输送能量。*t1<t<t2：在t=t1时，A、D两管同时关断，主回路的电流It迅速减小到零，变压器两端的电压Vt也迅速减小到零，此时靠输出电感Lo及电容Co的续流储能向负载输送能量。2/2/202320*t2<t<t3：t=t2时，主回路中B、C两管同时导通，A、D两管处于关断状态，电源电压加在变压器两端，通过变压器加在输出电感Lo和负载上，主回路的电流It线性增加，电源再次向负载输送能量。*t3<t<t4：在t=t3时，B、C两管同时关断，主回路的电流It迅速减小到零，变压器两端的电压Vt也迅速减小到零，此时再次靠输出电感Lo及电容Co的续流储能向负载输送能量。高频开关电源各部分电路DC/DC全桥变换工作过程2/2/202321高频开关电源各部分电路DC/DC全桥变换工作过程2/2/202322高频开关电源各部分电路脉宽调制控制器：开关电源输出电压的变化取决于功率变换电路的开关管导通时间，导通时间越长，则电容两端电压升高越多；开关管关闭时间越长，则电容两端电压降低越多。为了调节开关电源输出电压，就必须控制开关管的栅极驱动。通过采用脉冲宽度调制方式（PWM方式）来控制开关电源的输出电压。如使开关电源输出电压升高，则开关管驱动的脉冲要加宽，即脉冲宽度固定，在单位时间内的导通次数增加，保证总的导通时间加长。反之亦然。2/2/202323高频开关电源各部分电路2/2/202324高频开关电源各部分电路脉宽调制控制器工作原理：开关电源输出电压Vo通过电阻分压，分压后的电压为V1，接到放大器的负端，放大器的正端接标准稳压电源（例如LM7805）输出Vt，放大器输出电压为V2，接比较器正端，比较器负端接斜波发生器。斜波发生器产生一个固定频率和幅度的斜波，V2与斜波比较后输出脉冲波形。稳压原理：*Vo↗→V1↗→V2↘→比较器输出脉宽变窄→Vo↘；*Vo↘→V1↘→V2↗→比较器输出脉宽变宽→Vo↗。2/2/202325高频开关电源－－软开关技术2/2/202326高频开关电源－－软开关技术在全桥相移ZVZCS的基本原理图中，与硬开关相比，增加了一个饱和电感Ls，省去了全桥臂上的吸收电容，并在主回路上增加了一个阻挡电容Ce。通过相移方式控制主回路的有效占空比。阻挡电容Ce与饱和电感Ls适当配合，能够使全桥被动臂上的主开关管（A、B）达到零电流开关（ZCS）的效果，而主动臂上的主开关管（C、D）仍然处于零电压开关（ZVS）的状态。2/2/202327高频开关电源－－软开关技术t0<t<t1：主回路中A，D两管导通，饱合电感Ls处于饱合状态，电感量很小，可以认为是短路状态。电源电压通过变压器加在输出电感Lo和负载上，主回路的电流Ip线形增加，电源向负载输送能量，电容Ce的电压Vce由负向正逐渐增加。t1<t<t2：在t=t1时，D管关断，主回路的电流持续，使C管的电容Cr放电，最终使C管的电压为零，并通过C管的体二极管续流，在t=t2时C管零电压开通。这个过程与全桥相移ZVS的情况完全一致。此时电容Ce上形成的阻挡电压Vce达到最大。2/2/202328高频开关电源－－软开关技术t2<t<t3：由于Lo的续流作用，输出二极管钳位使变压器副边短路，在主回路中只有变压器的漏感存在，因此阻挡电压Vce迅速将主回路的电流Ip回复到零，当Ip回复到零时，饱合电感Ls退出饱合状态，呈现出很大的电感量，使Ip维持在零附近一直到A管关断。t3<t<t4：在t=t3时，A管零电流关断，经过一个死区时间B管开通。2/2/202329高频开关电源－－软开关技术t4<t<t5：B管开通时由于饱合电感Ls尚未饱合，Ip经过一定的滞后再迅速上升，电流的滞后使B管的开通损耗大大降低。在t=t5时Ip达到输出电流在主回路的折合值，变压器副边出现电压，电源再次向负载输送能量，电容Ce的电压Vce由正向负逐渐减小，开始下半个对称的周期。可见主动臂上的两只主管（C、D）处于ZVS状态，其开通损耗为零，同时由于电容Cr（r=a，b，c，d）的存在，降低了主管关断时电压的上升斜率，关断损耗也得到降低，被动臂上的两只主管（A、B）处于ZCS状态，其关断损耗为零，同时由于饱和电感Ls的存在，降低了主管开通时电流的上升斜率，使整个开关损耗大大降低。2/2/202330高频开关电源－－软开关技术2/2/202331一体化电源装置结构示意图2/2/202332二、交流不间断电源电力专业交流不间断电源系统分为电力专用UPS系统和电力逆变电源系统；电力专用UPS含有整流器和逆变器，正常运行时交流输入经整流器变为直流后再经过逆变器变为标准正弦波输出，电网停电时可以无间断的切换至蓄电池组供电；电力专用逆变器仅含逆变器，主要有在线式和后备式，但主要用于后备式运行。2/2/202333电力专用UPS系统2/2/202334电力专用UPS系统单电源的UPS系统2/2/202335电力专用UPS系统2/2/202336电力专用逆变电源系统2/2/202337电力专用逆变电源系统2/2/202338三、直流操作电源2/2/202339交流配电单元2/2/202340单路输入交流配电单元2/2/202341雷击浪涌吸收器压敏电阻气体放电管2/2/202342降压装置2/2/202343事