逆變器輸出特性與非線性負載

六期連載，解讀UPS標準，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計對策和測試方法。

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(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力和電網(wǎng)的沖擊都很大，在通用變頻器設計中一般會有個直流母線電容的預充電電路，有些整流電路設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(shù)低，諧波電流大，對電網(wǎng)非常不友好，不能滿足GB17625.1低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤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IGBT的反向工作安全區(qū)，即兩倍的器件標稱電流。

逆變器的設計策略

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)設置來降低沖擊電流。

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，它們面對的負載是臺式PC機或服務器，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，并制定的標準。方法就是降低UPS中逆變器的瞬態(tài)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(guī)定的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)輸出電壓特性。在標準里定義了三類動態(tài)輸出性能。

逆變器的瞬態(tài)響應

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階段，20毫秒（50Hz系統(tǒng)的一個周期）內恢復到+/-14%，100毫秒內恢復穩(wěn)態(tài)+/-10%。這樣的特性已經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)的開關電源可以接受，但用于照明已經可以感受到明顯的間斷。

圖3.三類動態(tài)輸出性能

逆變器的基準非線性負載

我們定義的UPS輸出瞬態(tài)響應特性，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，標準還有規(guī)范性附錄《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(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(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) 對于33kVA以下的單相UPS，所用基準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) 設計用于三相負載，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(jù)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：

那么：

考慮實驗條件：

那么：

考慮實驗條件：

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的基準非線性負載作為實際案例與仿真結果進行對照。

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力，提高系統(tǒng)可靠性，這在通用變頻器等系統(tǒng)設計中要考慮。

來源：英飛凌工業(yè)半導體

原創(chuàng)：陳子穎