1、电力操作电源系统n n高频开关电源技术高频开关电源技术 n n交流不间断电源交流不间断电源n n直流操作电源直流操作电源10/2/1 1电力操作电源系统概述第1页电力操作电源系统原理框图10/2/2 2电力操作电源系统概述第2页一、高频开关电源技术一、高频开关电源技术l直流稳压电源介绍l高频开关电源原理介绍 l高频开关电源各部分电路 10/2/3电力操作电源系统概述第3页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l线线性性稳稳压压电电源源 ：交交流流电电源源经经过过工工频频变变压压器器变变压压、整整流、滤波，再经过晶体调整管整定输出直流电压。流、滤波，再经过晶体调整管整定输出直流电压。l电源存在以下缺点
2、：变压器因为工作在工频频率，电源存在以下缺点：变压器因为工作在工频频率，在输出较大功率时体积大、粗笨；在输出较大功率时体积大、粗笨；晶体调整管因为晶体调整管因为工作在放大状态，等效于一个可变电阻器。整机效工作在放大状态，等效于一个可变电阻器。整机效率低于率低于50%50%。10/2/4电力操作电源系统概述第4页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l晶晶闸闸管管可可控控硅硅相相控控电电源源 ：交交流流电电源源经经过过工工频频变变压压器器变变压压隔隔离离，再再经经过过晶晶闸闸管管转转换换成成50Hz50Hz脉脉冲冲电电压压，再再经经过过电电抗抗器器及及输输出出滤滤波波器器滤滤波波，将输入转换成稳定直流
3、输出电压。将输入转换成稳定直流输出电压。10/2/5电力操作电源系统概述第5页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l稳稳压压原原理理是是经经过过采采样样得得到到输输出出电电压压改改变变量量，经经过过与与基基准准电电压压值值在在误误差差放放大大器器中中比比较较放放大大之之后后，输输出出脉脉冲冲信信号号控控制制晶晶闸闸管管导导通通角角，当当输输出出电电压压下下降降，晶晶闸闸管管导导通通角角增增大大，晶晶闸闸管管导导通通时时间间增增加加，输输出出电电压压上上升升；当当输输出出电电压压上上升升，晶晶闸闸管管导导通通角角减减小小，晶晶闸闸管管导通时间减小，输出电压下降。导通时间减小，输出电压下降。10/2/
4、6电力操作电源系统概述第6页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l该稳压电源与线性稳压电源比较，晶闸管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，减小了晶体工作在开通与截止两种状态，减小了晶体管功率损耗。但电源变压器一样工作在工管功率损耗。但电源变压器一样工作在工频频率，为了使输出电压纹波较小及减小频频率，为了使输出电压纹波较小及减小导通时电流冲击，要求有较大电感量电抗导通时电流冲击，要求有较大电感量电抗器及较大容量滤波电容，一样在输出较大器及较大容量滤波电容，一样在输出较大功率时，变压器、电抗器及电容体积大及功率时，变压器、电抗器及电容体积大及粗笨，变压器、电抗器铁损及铜损较大
5、，粗笨，变压器、电抗器铁损及铜损较大，有温升散热、通风问题。电源效率只在有温升散热、通风问题。电源效率只在60%60%80%80%左右。左右。10/2/7电力操作电源系统概述第7页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l开开关关型型稳稳压压电电源源：交交流流电电源源经经过过整整流流、滤滤波波变变成成直直流流，再再经经过过高高频频变变压压器器及及高高频频开开关关管管，将将直直流流电电转转换换成成高高频频脉脉冲冲输输出出，高高频频脉脉冲冲信信号号经经过过快快恢恢复复整整流流管管整整流流、电电抗抗器器及及输输出出滤滤波波器器滤滤波波变变成成稳稳定定输输出出直直流电压。流电压。10/2/8电力操作电源系统概
6、述第8页直流稳压电源介绍直流稳压电源介绍l其其稳稳压压原原理理是是经经过过采采样样得得到到输输出出电电压压改改变变量量，经经过过与与SMPSMP控控制制器器基基准准电电压压值值在在误误差差放放大大器器中中比比较较放放大大之之后后，输输出出脉脉宽宽信信号号控控制制开开关关管管导导通通与与截截止止，当当输输出出电电压压下下降降，脉脉宽宽展展宽宽，开开关关管管导导通通时时间间增增加加，输输出出电电压压上上升升；当当输输出出电电压压上上升升，脉脉宽宽减减小小，开开关关管管导导通通时时间间减减小小，输输出出电电压压下下降。降。l该该稳稳压压电电源源与与晶晶体体管管线线性性稳稳压压电电源源比比较较，开开关
7、关管管工工作作在在导导通通与与截截止止两两种种状状态态，减减小小了了晶晶体体管管功率损耗。电源效率在功率损耗。电源效率在80%80%94%94%左右。左右。10/2/9电力操作电源系统概述第9页开关稳压电源与相控电源比较开关稳压电源与相控电源比较10/2/10电力操作电源系统概述第10页高频开关电源原理高频开关电源原理10/2/11电力操作电源系统概述第11页高频开关电源原理高频开关电源原理主电路主电路 l原边检测控制电路：监视交流输入电网原边检测控制电路：监视交流输入电网电压，实现输入过压、欠压、缺相保护电压，实现输入过压、欠压、缺相保护功效及软开启控制。功效及软开启控制。lEMI输入滤波器
8、：其作用是将电网存在输入滤波器：其作用是将电网存在杂波过滤，同时也妨碍本机产生杂波反杂波过滤，同时也妨碍本机产生杂波反馈到公共电网。馈到公共电网。l软开启：消除开机浪涌电流。软开启：消除开机浪涌电流。10/2/12电力操作电源系统概述第12页高频开关电源原理高频开关电源原理主电路主电路l整流与滤波：将电网交流电源直接整流整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑直流电，以供下一级变换。为较平滑直流电，以供下一级变换。l全桥变换：将整流后直流电变为高频交全桥变换：将整流后直流电变为高频交流电，这是高频开关电源关键部分，频流电，这是高频开关电源关键部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越率越高，
9、体积、重量与输出功率之比越小。小。l输出整流与滤波：依据负载需要，提供输出整流与滤波：依据负载需要，提供稳定可靠直流电源。稳定可靠直流电源。10/2/13电力操作电源系统概述第13页高频开关电源原理高频开关电源原理l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，其次，根据测试电路提供数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。l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。l辅助电源：提供全部单一电路不一样要求电源。10/2/14电力操作电源系统概述第14页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分
10、电路 lEMI滤波电路 抗干扰抗干扰电容电容滤波电容滤波电容10/2/15电力操作电源系统概述第15页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l三相整流电路三相整流电路：采取一块三相整流集成电路：采取一块三相整流集成电路10/2/16电力操作电源系统概述第16页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l输输入入软软起起动动：继继电电器器J为为常常开开触触点点，合合上上交交流流输输入入时时，交交流流电电源源经经整整流流后后经经过过限限流流电电阻阻R对对电电容容充充电电，当当电电容容充充满满后后，控控制制继继电电器器J闭闭合合，防止大电流对电容冲击。防止大电流对电容冲击。10/2/17电力
11、操作电源系统概述第17页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l输出直流滤波输出直流滤波 10/2/18电力操作电源系统概述第18页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全全桥桥变变换换：高高频频开开关关管管A、D和和B、C组组成成桥桥两两臂臂，高高频频变变压压器器T连连接接在在它它们们中中间间。经经过过加加在在A、D 和和B、C两两组组开开关关管管栅栅极极对对称称倒倒相相脉脉冲冲实实现现该该两两组组组组开开关关管管依依次次导导通通或或截截至至，以以实实现现DC/DC高频变换过程。高频变换过程。10/2/19电力操作电源系统概述第19页高频开关电源各部分电路高频开关电源
12、各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程*t0tt1*t0tt1：t=t0t=t0时时，主主回回路路中中A A、D D两两管管同同时时导导通通，B B、C C两两管管处处于于关关断断状状态态，电电源源电电压压UiUi加加在在变变压压器器两两端端，经经过过变变压压器器加加在在输输出出电电感感LoLo和和负负载载上上，主主回路电流回路电流ItIt线性增加，电源向负载输送能量。线性增加，电源向负载输送能量。*t1tt2*t1tt2：在：在t=t1t=t1时，时，A A、D D两管同时关断，主回两管同时关断，主回路电流路电流ItIt快速减小到零，变压器两快速减小到零，变压器两 端电压端电
13、压VtVt也快也快速减小到零，此时靠输出电感速减小到零，此时靠输出电感LoLo及电容及电容CoCo续流储续流储能向负载输送能量。能向负载输送能量。10/2/20电力操作电源系统概述第20页*t2tt3*t2tt3：t=t2t=t2时，主回路中时，主回路中B B、C C两管同时导通，两管同时导通，A A、D D两管处于关断状态，电源电压加在变压器两管处于关断状态，电源电压加在变压器两端，经过变压器加在输出电感两端，经过变压器加在输出电感LoLo和负载上，和负载上，主回路电流主回路电流ItIt线性增加，电源再次向负载输送线性增加，电源再次向负载输送能量。能量。*t3tt4*t3tt4：在：在t=t
14、3t=t3时，时，B B、C C两管同时关断，主回两管同时关断，主回路电流路电流ItIt快速减小到零，变压器两端电压快速减小到零，变压器两端电压VtVt也也快速减小到零，此时再次靠输出电感快速减小到零，此时再次靠输出电感LoLo及电容及电容CoCo续流储能向负载输送能量。续流储能向负载输送能量。高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程10/2/21电力操作电源系统概述第21页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路lDC/DC全桥变换工作过程全桥变换工作过程10/2/22电力操作电源系统概述第22页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路
15、l脉脉宽宽调调制制控控制制器器：开开关关电电源源输输出出电电压压改改变变取取决决于于功功率率变变换换电电路路开开关关管管导导通通时时间间，导导通通时时间间越越长长，则则电电容容两两端端电电压压升升高高越越多多；开开关关管管关关闭闭时时间间越越长长，则则电电容容两两端端电电压压降降低低越越多多。为为了了调调整整开开关关电电源源输输出出电电压压，就就必必须须控控制制开开关关管管栅栅极极驱驱动动。经经过过采采取取脉脉冲冲宽宽度度调调制制方方式式（PWM方方式式）来来控控制制开开关关电电源源输输出出电电压压。如如使使开开关关电电源源输输出出电电压压升升高高，则则开开关关管管驱驱动动脉脉冲冲要要加加宽宽
16、，即即脉脉冲冲宽宽度度固固定定，在在单单位位时时间间内内导导通通次次数数增增加加，确确保保总总导导通通时时间间加加长长。反反之之亦然。亦然。10/2/23电力操作电源系统概述第23页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路10/2/24电力操作电源系统概述第24页高频开关电源各部分电路高频开关电源各部分电路l脉脉宽宽调调制制控控制制器器工工作作原原理理：开开关关电电源源输输出出电电压压Vo经经过过电电阻阻分分压压，分分压压后后电电压压为为V1，接接到到放放大大器器负负端端，放放大大器器正正端端接接标标准准稳稳压压电电源源（比比如如LM7805）输输出出Vt，放放大大器器输输出出电电压压为为
17、V2，接接比比较较器器正正端端，比比较较器器负负端端接接斜斜波波发发生生器器。斜斜波波发发生生器器产产生生一一个个固固定定频频率率和和幅幅度度斜斜波，波，V2与斜波比较后输出脉冲波形。与斜波比较后输出脉冲波形。l稳压原理：稳压原理：*Vo V1 V2 比较器输出脉宽变窄比较器输出脉宽变窄Vo；*Vo V1 V2 比较器输出脉宽变宽比较器输出脉宽变宽Vo。10/2/25电力操作电源系统概述第25页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术10/2/26电力操作电源系统概述第26页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术l在在全全桥桥相相移移ZVZCS基基本本原原理理图图中中，与与硬硬开开关
18、关相相比比，增增加加了了一一个个饱饱和和电电感感Ls，省省去去了了全全桥桥臂臂上上吸吸收收电电容容，并并在在主主回回路路上上增增加加了了一一个个阻阻挡挡电电容容Ce。经经过过相相移移方方式式控控制制主主回回路路有有效效占占空空比比。阻阻挡挡电电容容Ce与与饱饱和和电电感感Ls适适当当配配合合，能能够够使使全全桥桥被被动动臂臂上上主主开开关关管管（A、B）到到达达零零电电流流开开关关（ZCS）效效果果，而而主主动动臂臂上上主主开开关关管管（C、D）依然处于零电压开关（）依然处于零电压开关（ZVS）状态。）状态。10/2/27电力操作电源系统概述第27页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术
19、lt0tt1：主回路中：主回路中A，D两管导通，饱合电感两管导通，饱合电感Ls处于饱合状态，电感量很小，能够认为是短路处于饱合状态，电感量很小，能够认为是短路状态。电源电压经过变压器加在输出电感状态。电源电压经过变压器加在输出电感Lo和和负载上，主回路电流负载上，主回路电流Ip线形增加，电源向负载线形增加，电源向负载输送能量，电容输送能量，电容Ce电压电压Vce由负向正逐步增加。由负向正逐步增加。lt1tt2：在：在t=t1时，时，D管关断，主回路电流连续，管关断，主回路电流连续，使使C管电容管电容Cr放电，最终使放电，最终使C管电压为零，并经管电压为零，并经过过C管体二极管续流，在管体二极管
20、续流，在t=t2时时C管零电压开通。管零电压开通。这个过程与全桥相移这个过程与全桥相移ZVS情况完全一致。此时情况完全一致。此时电容电容Ce上形成阻挡电压上形成阻挡电压Vce到达最大。到达最大。10/2/28电力操作电源系统概述第28页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术lt2tt3：因为：因为Lo续流作用，输出二极管续流作用，输出二极管钳位使变压器副边短路，在主回路中只钳位使变压器副边短路，在主回路中只有变压器漏感存在，所以阻挡电压有变压器漏感存在，所以阻挡电压Vce快速将主回路电流快速将主回路电流Ip回复到零，当回复到零，当Ip回回复到零时，饱合电感复到零时，饱合电感Ls退出饱合状
21、态，退出饱合状态，展现出很大电感量，使展现出很大电感量，使Ip维持在零附近维持在零附近一直到一直到A管关断。管关断。lt3tt4：在：在t=t3时，时，A管零电流关断，管零电流关断，经过一个死区时间经过一个死区时间B管开通。管开通。10/2/29电力操作电源系统概述第29页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术lt4tt5：B管开通时因为饱合电感管开通时因为饱合电感Ls还未饱合，还未饱合，Ip经过一定滞后再快速上升，电流滞后使经过一定滞后再快速上升，电流滞后使B管开通管开通损耗大大降低。在损耗大大降低。在t=t5时时Ip到达输出电流在主回路到达输出电流在主回路折合值，变压器副边出现电压，
22、电源再次向负载折合值，变压器副边出现电压，电源再次向负载输送能量，电容输送能量，电容Ce电压电压Vce由正向负逐步减小，由正向负逐步减小，开始下半个对称周期。开始下半个对称周期。l可可见见主主动动臂臂上上两两只只主主管管（C、D）处处于于ZVS状状态态，其其开开通通损损耗耗为为零零，同同时时因因为为电电容容Cr（r=a，b，c，d）存存在在，降降低低了了主主管管关关断断时时电电压压上上升升斜斜率率，关关断断损损耗耗也也得得到到降降低低，被被动动臂臂上上两两只只主主管管（A、B）处处于于ZCS状状态态，其其关关断断损损耗耗为为零零，同同时时因因为为饱饱和和电电感感Ls存存在在，降降低低了了主主管
23、管开开通通时时电电流流上上升升斜斜率率，使使整个开关损耗大大降低。整个开关损耗大大降低。10/2/30电力操作电源系统概述第30页高频开关电源高频开关电源软开关技术软开关技术10/2/31电力操作电源系统概述第31页一体化电源装置结构示意图10/2/32电力操作电源系统概述第32页二、交流不间断电源二、交流不间断电源l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；l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，电网停电时能够无间断切换至蓄电池组供电；l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
24、行。10/2/33电力操作电源系统概述第33页电力专用电力专用UPS系统系统10/2/34电力操作电源系统概述第34页电力专用电力专用UPS系统系统l单电源UPS系统10/2/35电力操作电源系统概述第35页电力专用电力专用UPS系统系统10/2/36电力操作电源系统概述第36页电力专用逆变电源系统电力专用逆变电源系统10/2/37电力操作电源系统概述第37页电力专用逆变电源系统电力专用逆变电源系统10/2/38电力操作电源系统概述第38页三、直流操作电源三、直流操作电源10/2/39电力操作电源系统概述第39页交流配电单元10/2/40电力操作电源系统概述第40页单路输入交流配电单元10/2
25、/41电力操作电源系统概述第41页雷击浪涌吸收器压敏电阻压敏电阻气体放电管气体放电管10/2/42电力操作电源系统概述第42页降压装置10/2/43电力操作电源系统概述第43页事故照明切换装置10/2/44电力操作电源系统概述第44页电力操作电源系统接线10/2/45电力操作电源系统概述第45页电力操作电源系统接线10/2/46电力操作电源系统概述第46页电力操作电源系统接线10/2/47电力操作电源系统概述第47页电力操作电源系统接线10/2/48电力操作电源系统概述第48页电力操作电源系统接线10/2/49电力操作电源系统概述第49页电力操作电源系统接线10/2/50电力操作电源系统概述第50页电力操作电源系统接线10/2/51电力操作电源系统概述第51页电力操作电源系统接线10/2/52电力操作电源系统概述第52页10/2/53电力操作电源系统概述第53页10/2/54电力操作电源系统概述第54页
