周末连载|逆变器输出特性与非线性负载——看似简单的整流电路详解（六）

对于单相整流电路的电容滤波负载开机的时候，由于电容中没有储存能量，电压为零，所以第一个周期会出现一个大的浪涌电流，这对整流电路的电流应力和电网的冲击都很大，在通用变频器设计中一般会有个直流母线电容的预充电电路，有些整流电路设计可以用负温度系数的电阻抑制开机冲击电流，难免有不少设计对开机冲击电流抑制不力。

第五讲《整流电容滤波负载实例》中分析了一个类空调的单相全桥整流电路，其平均功率在700瓦水平，电容取值1500uf，当滤波电感为1mH时，二极管上峰值电流高达15.4A，比平均电流1.2A高12倍。这样的输入特性功率因数低，谐波电流大，对电网非常不友好，不能满足GB17625.1低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）要求。

这样的冲击电流和峰值电流，往往会超过逆变器150%的超载能力，也会超过逆变器功率开关IGBT的反向工作安全区，即两倍的器件标称电流。

从一般的分析中知道，增加线路阻抗，能有效降低冲击电流和峰值电流。由于电感上的电流不能突变，串接电感是个好方法。但对于逆变器来说，还可以从源头解决问题，即通过控制环的参数设置来降低冲击电流。

UPS应用中这一问题最突出，尤其单相无输出变压器的高频机，它们面对的负载是台式PC机或服务器，开机冲击电流大，不带PFC；早年的CRT显示器有消磁线圈，用正温度系数的电阻人为造成开机冲击消磁电流。面对很严酷的工况，UPS厂商找到了一种合理的解决方案，并制定的标准。方法就是降低UPS中逆变器的瞬态相应，把输出特性做软，避免输出大电流。

这就是IEC62040-3:1999《不间断电源设备第3部分：确定性能的方法和试验要求》中的5.3.1规定的稳态和动态输出电压特性。在标准里定义了三类动态输出性能。

最严的一类动态输出性能，规定了在UPS在负载突变的情况下，输出电压允许有30%的跌落和过冲，但5秒后必须进入电压恢复阶段，20毫秒（50Hz系统的一个周期）内恢复到+/-14%，100毫秒内恢复稳态+/-10%。这样的特性已经有助于降低冲击电流和电流峰值。但正弦电压可能有削峰的现象，一般不影响负载正常工作。

图1.一类动态输出性能

二类动态输出性能特性很软，在大的冲击电流下，输出降到零，以最大程度降低负载对UPS中逆变器的冲击，这种短时间的断电对整流滤波负载几乎没有什么太大影响。

图2.二类动态输出性能

三类动态输出性能是为后备式UPS定义的，由于后备式有电网和逆变器之间的切换时间和逆变器的启动时间。10毫秒的停电，大多数的开关电源可以接受，但用于照明已经可以感受到明显的间断。

图3.三类动态输出性能

我们定义的UPS输出瞬态响应特性，那就需要有测试方法，IEC62040-3除了在正文中规定了阶跃性负载外，标准还有规范性附录《准非线性负载》，这是我们讨论的整流电容滤波负载很好的参考。

为了模拟一个单相稳态整流/电容器负载，接到UPS的负载是一个二极管整流桥。桥的输出侧接有一个电容器、电阻并联电路。总的单相负载可按下图连接的单个负载，或多个等效并联负载构成。

基准非线性负载

U：UPS的额定输出电压，方均根值

f：UPS输出频率

Uc：整流电压

S：线性负载两端的表观功率---功率因数0.7，即表观功率S的70%将以有功功率消耗在R1和Rs上。

R1:电阻，设定其消耗有功功率为总表观功率S的66%。

Rs：串联的线性电阻，设定其消耗有功功率为总表观功率S的4%。

按照电容器电压Uc的5%峰谷值纹波电压，相应的时间常数为R1×C=7.5/f。

根据峰值电压，电网电压畸变，电网电缆压降和整流电压的纹波，整流电压平均值Uc按经验应为：

Uc=√2×0.92×0.96×0.975×U=1.22×U

电阻Rs、R1和电容C(单位：F)的值按下述计算：

Rs=0.04×U²/S

R1=Uc²/(0.66×S)

C=7.5/(f×R1)

（a) 对于33kVA以下的单相UPS，所用基准非线性负载的表观功率S等于UPS的额定表观功率。

（b) 额定值在33kVA以上的单相UPS，使用表观功率为33kVA的基准非线性负载，再加上线性负载，使之达到UPS的额定表观功率和额定有功功率。

（c) 设计用于三相负载，额定值在100kVA以下的三相UPS，应将三个相等的单相基准非线性负载接到UPS相间或线间。

（d) 额定值在100kVA以上的三相UPS，根据C)款，应使用100kVA的基准非线性负载，再加上线性负载，使之达到UPS额定表观功率和额定有功功率。

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

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

Rs=0.04×U²/S=0.04x220²/1000=1.9ohm

考虑实验条件：

R1=121 ohm

那么：

C=7.5/(50×121)=1240 uf

考虑实验条件：

C=1210 uf

对于整流滤波负载，如果没有电感的话，二极管峰值电流会很大，设线路阻性阻抗0.1欧姆，峰值电流超过30A，对电容充电时间只有1.29毫秒，占半周期的12.9%，这样高次谐波电流很大，功率因数很低。从实际负载消耗的有功功率仅746W，而视在功率是1687VA，功率因数为0.44。

2欧姆线路阻抗是基准非线性负载规定值，峰值电流也高达13A,但实际负载消耗的有功功率仅660W，而视在功率是992VA，功率因数为0.67。

把这一基准非线性负载接到220V市电上去，由于线路实际存在阻性阻抗，没有串联2欧姆的Rs。实际测到峰值电流Ipk=22.5A，有效值电流为6.1A。

这时视在功率1381VA，有功功率684W，功率因数为0.5。

把这一负载接到1kVA在线式UPS上去，由于UPS输出特性比较软，绿色的电压波形有削顶，抑制的峰值电流（红色）到Ipk=16.5A，有效值电流6.0A,见下测试波形。

本文是从另外一个角度看整流滤波负载的二极管电流，了解线路阻抗对峰值电流等的影响，并做了一个视在功率为1000W的基准非线性负载作为实际案例与仿真结果进行对照。

要降低整流二极管上的峰值电流，提高整流电路的功率因数，使用滤波电抗器是最合理的方法，这可以有效降低二极管的电流应力，提高系统可靠性，这在通用变频器等系统设计中要考虑。

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