UPS

一種獨(dú)特的性能優(yōu)越的UPS逆變技術(shù)

1引言

UPS主要由整流器、電池組、靜態(tài)旁路、逆變器、控制系統(tǒng)等幾大部分組成。因?yàn)槟孀兤魇窃诰€式UPS的功率最終輸出環(huán)節(jié)，因此逆變器性能的好壞對(duì)UPS總體性能起著決定性的作用。目前UPS中逆變器幾乎都是采用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制技術(shù)，所采用的功率驅(qū)動(dòng)器件多為IGBT模塊。在小型UPS中，其IGBT的SPWM控制頻率在20kHz～40kHz，隨著額定功率的不斷增加，即在大中型（例如：10kVA～300kVA）UPS中，用于逆變器的功率器件IGBT的額定電流也越來(lái)越大，因此IGBT的開通時(shí)間tr和下降時(shí)間tf也就越來(lái)越長(zhǎng)，開關(guān)損耗也相應(yīng)增加，為保證UPS逆變器的運(yùn)行安全可靠及高效率，就迫使大中型UPS中IGBT的SPWM控制頻率逐漸下降到2kHz～10kHz。逆變頻率對(duì)于UPS逆變器性能存在著如下的影響：逆變頻率的提高使作為濾波器的慣性元件，如電感、電容的尺寸大大減少，使得UPS的噪聲抑制,動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和電壓精度等指標(biāo)均得以大幅度提高；然而，隨著逆變頻率的提高，開關(guān)損耗亦隨之增大，從而降低了UPS逆變器的效率。于是解決上述矛盾，就成了UPS制造商改變UPS性能的有效途徑。另外，在三進(jìn)三出UPS中，使用者最頭痛的是三相負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的問(wèn)題，因此人們就希望有一種UPS能帶100％不平衡負(fù)載。

2倍頻逆變技術(shù)

倍頻逆變電路如圖1所示。其中變壓器原邊的正弦脈寬信號(hào)的頻率是IGBT觸發(fā)信號(hào)的2倍。S1，S2，S3，S4的柵極G1，G2，G3，G4的正弦脈寬觸發(fā)信號(hào)及VP逆變頻率波形如圖2所示。圖2中VG1與VG2,VG3與VG4相位相反，其工作過(guò)程如下：

在ta～tb期間，VG1>0，VG4>0，VG2=0，VG3=0，S1、S4導(dǎo)通，S2、S3截止。變壓器初級(jí)電流IP沿著E＋→S1→變壓器初級(jí)“1”→“2”→S4→E－路徑流動(dòng)，由于S1、S4導(dǎo)通，故VP=Ldi/dt。變壓器初級(jí)PWM波形VP和變壓器次級(jí)波形Vout如圖2所示。

在tb～tc期間，VG1>0，VG3>0，VG2=0，VG4=0,S2、S4截止，IP除沿著“2”→V7→S1→1路徑流動(dòng)外還沿著“2”→V7→E＋→E－→V6→“1”路徑流動(dòng)，變壓器中的能量一部分消耗在回路電阻上，另一部分反饋給直流電源。由于V7，S1導(dǎo)通，VP=0、Vout=0，變壓器中能量釋放完后，S1自動(dòng)截止。

圖1塞里克魯DL系列三進(jìn)三出UPS其中一相逆變器原理圖

圖2倍頻逆變器波形圖

在tc～td期間，VG1>0，VG4>0,VG2=0,VG3=0,S1、S4導(dǎo)通,S2、S3截止。情況同ta～tb。

在td～te期間，VG2>0，VG4>0,VG1=0,VG3=0,S1、S3截止。IP除沿著“2”→S4→V6→“1”路徑流動(dòng)外還沿著2→V7→E＋→E－→V6→1路徑流動(dòng)，使變壓器中的能量一部分消耗在回路電阻上，另一部分反饋給直流電源。由于V6、S4導(dǎo)通，VP=0、Vout=0，變壓器中能量釋放完后，S4自動(dòng)截止。

以后便重復(fù)上述過(guò)程，經(jīng)過(guò)上述變換后，輸出電壓VP的頻率，是IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖頻率的兩倍，因此稱之為倍頻逆變技術(shù)。如果IGBT的控制頻率是10kHz，則在變壓器初級(jí)就能得到頻率為20kHz的PWM脈沖源VP，經(jīng)隔離變壓器及LC濾波后，輸出50Hz的交流電源Vout，VP和Vout波形如圖2所示。

提高逆變頻率要解決的問(wèn)題之一是減少LC濾波器的體積，輸出LC濾波器的參數(shù)與開關(guān)頻率的關(guān)系為：

ωn2=1/L·C（1）

通常取ωn=K×2π×2fp(fp為開關(guān)頻率，fp=10kHz；fV=2fp=20kHz；K為電氣常數(shù)。）

L·C=1/（K×2π×2fp）2=

1/（K×2π×fV）2=

1/(4π2K2fV2)(2)

從式（2）可以看出濾波器LC的取值和fV的平方成反比,因而采用了倍頻逆變技術(shù)后,與具有同樣的開關(guān)損耗(影響UPS的逆變器效率)的10kHz的同頻逆變電路相比,其濾波器的參數(shù)減少了4倍,因而其濾波器的體積大大減少；20kHz的逆變頻率與10kHz的逆變頻率相比動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度更快,因此對(duì)急劇變動(dòng)的負(fù)載(階躍性負(fù)載)的響應(yīng)速度更快,輸出穩(wěn)定度,及輸出精度更高。

常規(guī)的UPS逆變器輸出LC濾波器的設(shè)計(jì)方法是采用輸出變壓器(有隔離變壓器的UPS)自身的漏感與外加電容進(jìn)行濾波的，這樣就使其濾波性能無(wú)形中受到了變壓器變比、輸出功率、控制頻率等諸多因素的牽制，而塞里克魯U(kuò)PS的輸出變壓器和輸出濾波電感是完全獨(dú)立的，如圖3所示，這樣就能使濾波器的設(shè)計(jì)更加盡善盡美，使輸出電壓波形更好。

3三相獨(dú)立調(diào)節(jié)逆變器

在使用三進(jìn)三出UPS時(shí),最擔(dān)心的是三相負(fù)載的不平衡問(wèn)題。經(jīng)銷商在宣傳樣本中往往都說(shuō)自己的UPS可帶100％不平衡負(fù)載，那么究竟什么樣的三相電路結(jié)構(gòu)的UPS才能真正帶100％不平衡負(fù)載呢?

常規(guī)的三進(jìn)三出UPS電路中,大多采用的是三相橋式逆變器,如圖4所示。

當(dāng)S5,S6，S1導(dǎo)通時(shí),首先電流ic沿著E＋→S5→變壓器初級(jí)繞組cb→S6→E－流通，則ucb=L，uW=M。

然后S5與S1換相，換相結(jié)束后電流iA沿著E＋→S1→變壓器初級(jí)繞組ab→S6→E－流通，則uab=L,uV=M。

圖3塞里克魯U(kuò)PS原理框圖

圖4傳統(tǒng)的UPS三相橋式逆變器

圖5西班牙塞里克魯DL系列UPS三相輸出逆變器原理

由圖4可知：

iB=icb＋iab（3）

同理：

iC=iac＋ibc(4)

iA=iba＋ica(5)

從式（3）～式（5）可知，每一相的電流變化都會(huì)涉及到其它兩相,若三相負(fù)載不平衡,極端的情況是其中一相空載或兩相空載。對(duì)于這種電路結(jié)構(gòu)的中、大功率三相UPS，如果輸出U相空載，即iU=0，則iac=ica=0，由式（3）～式（5）可知這將造成三相逆變橋各橋臂工作電流的嚴(yán)重不平衡，將使B橋臂因嚴(yán)重過(guò)流而燒毀開關(guān)器件，因此這種結(jié)構(gòu)的逆變器最大不平衡負(fù)載程度為50％，根本不能帶100％不平衡負(fù)載。

為了適應(yīng)三相負(fù)載不平的需要，西班牙塞里克魯公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DL系列UPS給出了可帶100％不平衡負(fù)載的解決途徑，如圖5所示。三相獨(dú)立調(diào)節(jié)逆變技術(shù)是利用三個(gè)單相橋分別進(jìn)行變換，然后再把輸出按120°相位差組合起來(lái)，三個(gè)單相的逆變器是獨(dú)立工作的，因而三相輸出互不影響，也就是說(shuō)相當(dāng)于三個(gè)輸出相位相差120°的單相UPS，各帶各的負(fù)載，哪個(gè)（相）空載，哪個(gè)（相）滿載都無(wú)所謂。這就是基于三相獨(dú)立調(diào)節(jié)的可帶100％不平衡負(fù)載的UPS。從圖4和圖5可以看出，廠家為解決這一問(wèn)題，付出了比常規(guī)三相橋式逆變電路多出1倍的IGBT（12個(gè)單體IGBT），因而大大增加了產(chǎn)品的制造成本。

因此，塞里克魯公司生產(chǎn)的DL系列三進(jìn)三出UPS因其所采用的獨(dú)特的性能優(yōu)越的逆變技術(shù)，使UPS的輸出電壓精度、輸出波形、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、帶載能力等指標(biāo)非常優(yōu)越，在廠礦、油田、廣播電視等苛刻型負(fù)載與用電環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，為用戶提供了極為可靠的電力保證。

4結(jié)語(yǔ)

中、大功率三相UPS負(fù)載的不平衡問(wèn)題直接影響著UPS的穩(wěn)定運(yùn)行。常規(guī)的采用三相逆變器的UPS，由于自身電路結(jié)構(gòu)的局限，使得其所能承受的最大不平衡負(fù)載程度僅為50％，從而極大地限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

采用三個(gè)獨(dú)立控制的單相逆變器，將其輸出按相位差120°組合成三相逆變器（UPS），各帶各的負(fù)載，互不影響，使得最大不平衡負(fù)載程度可達(dá)100％，從而拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。