- 傳統(tǒng)UPS的設計原理
- 無變壓器UPS的設計特點
- 無變壓器UPS的電池管理特點
- 在無變壓器系統(tǒng)中使用IGBT整流器，
- 采用了PWM控制技術使整流器產(chǎn)生升壓輸出
自從小功率UPS問世以來,無變壓器UPS設計經(jīng)歷了20余年的發(fā)展。如今30kVA以下的UPS絕大多數(shù)都是無變壓器的,這意味著UPS并不一定需要市電頻率(工頻)的磁性部件(變壓器或電感)。這種無變壓器設計的趨勢在向著大功率段發(fā)展,因為工頻磁性部件是原材料和勞動力密集型工業(yè)產(chǎn)品,而高頻電力電子設備是技術密集型產(chǎn)品。
一般來說,技術發(fā)展成熟時可以提高用戶價值而不必以犧牲可靠性為代價。一旦實現(xiàn),技術密集型的設計就成為首選的領先方案,開關電源和個人電腦的發(fā)展已經(jīng)證明了這一點。
對于30～200kVA的大功率UPS,目前多家廠商已經(jīng)有無變壓器設計的成熟產(chǎn)品。在過去十年間,大功率的絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟,在大功率段采用10kHz以上的頻率變換而不會影響效率。
另外,一些新的控制技術使得采用無變壓器設計的UPS進一步降低了開關損耗,因而比傳統(tǒng)UPS整體效率更高。功率范圍200～1100kVA的UPS,最大的挑戰(zhàn)是在高電壓下快速通斷大電流,而沒有過多的損耗或過高的峰值電壓。
圖1傳統(tǒng)UPS與無變壓器UPS結構示意圖
傳統(tǒng)UPS的設計原理
傳統(tǒng)UPS與無變壓器設計UPS的基本結構如圖1所示。傳統(tǒng)UPS采用的晶閘管整流器,考慮到電網(wǎng)電壓的波動范圍,三相整流輸出的直流電壓(充電電壓)一般為500Vdc以下。UPS電池組中的電池數(shù)一般為32～35只。當電池放電時,直流電壓更低。再通過IGBT逆變器經(jīng)過SPWM波形變換后,輸出三相交流電壓只有二百多V。所以需要輸出變壓器進行升壓以達到輸出380V交流電源。
圖2UPS的典型輸入特性
為了提高效率和性價比,傳統(tǒng)UPS一般采用6脈波晶閘管整流,這會產(chǎn)生很大的輸入諧波電流并降低輸入功率因數(shù),這在許多場合是不可接受的,并且與一些發(fā)電機不兼容。要使諧波THDi低于5%～10%以及功率因數(shù)高于0.99,就需要很大的輸入電感和諧波濾波器。采用這些元件將增加成本、重量和尺寸。
另外,不能在較寬的負載范圍內(nèi)降低諧波和提高功率因數(shù),它們通常在60%以上負載率時才有效,如圖2所示。在負載率低于40%時,輸入功率因數(shù)將變?yōu)槌?使得與發(fā)電機不兼容。輸入功率因數(shù)還隨市電電壓變化,參數(shù)表只是標稱值。
為了提高輸入指標,還可以采用12脈波整流器和輸入濾波器。但這些將增加尺寸、重量和成本,并降低整體效率。在滿載時輸入指標可以達到THD<5%,PF>0.95,但在半載或更低負載時輸入指標將嚴重惡化。各種UPS在不同負載時的輸入諧波含量如表1所示。
對于輸入諧波,其影響的嚴重程度取決于特殊的應用和現(xiàn)場環(huán)境。例如,一個10%失真的設備在低頻時引起的電壓失真比高頻時要小。沒有合適的輸入濾波器,晶閘管(SCR)關斷時產(chǎn)生的快速di/dt(電流尖峰)將引起嚴重的線路電壓凹陷,進而影響電網(wǎng)上的鄰近設備。
圖3 6脈波晶閘管整流器輸入電流波形
典型的6脈波晶閘管整流器的輸入電流波形如圖3所示(示波器實拍)。通過輸入電感限制di/dt,輸入諧波THD>30%。
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無變壓器UPS的設計特點
無變壓器UPS設計的實現(xiàn),是因為采用了IGBT整流器。由于采用了PWM控制技術,可以使整流器產(chǎn)生升壓輸出(Boost),不同的PWM控制方法將獲得不同的輸出直流電壓。目前常用的控制算法有正弦波PWM和空間矢量PWM。適當?shù)闹绷鞲邏和ㄟ^逆變器可以直接輸出380V交流電壓,而不再需要變壓器升壓。
圖4無變壓器UPS的典型輸入特性
無變壓器設計的IGBT整流器在10%～100%的負載范圍內(nèi)保持了高功率因數(shù)和低輸入諧波,如圖4所示。它與發(fā)電機高度兼容,從而避免了發(fā)電機選擇的超容量要求。IGBT整流器的優(yōu)秀輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內(nèi)都保持不變,如圖5所示。
圖5無變壓器UPS典型輸入和輸出波形
無變壓器設計的UPS中IGBT的開關頻率越高,所使用的濾波器電感越小,響應時間越快,波形越好。目前IGBT的開關頻率已經(jīng)達到10kHz以上。
圖6無變壓器UPS電力傳輸電路
圖6所示為無變壓器UPS的電力傳輸電路。無需輸出變壓器,通過新型的4橋臂逆變器而產(chǎn)生輸出中線和三相電壓。UPS在線工作時整流輸入只需要三個相線,但旁路工作時中線必須連接。在傳統(tǒng)的UPS結構中,通常用△/Y變壓器來產(chǎn)生輸出中線。
無變壓器UPS的電池管理特點
可以使用半橋轉換器使電池電壓與直流母線電壓獨立,并適應更廣的電池電壓范圍(例如192～240個單體)。此轉換器還能使電池置于開路狀態(tài)以避免長期浮充電壓的直流脈動電流和加速老化(特別是在高溫場合)。由于具有這一特點,ABM技術和其他充電技術被用來有效地延長電池壽命。ABM技術是多數(shù)大功率UPS所采用的電池充電設計。
圖7傳統(tǒng)UPS與無變壓器UPS結構對比圖
IGBT整流器從電網(wǎng)吸取能量,輸入功率因數(shù)PF>0.99,逆變器提供輸出電流,可以支持90%額定容量的負載功率,同時給電池充電。當電網(wǎng)電壓降低時,電池充電將暫停以保證負載輸出。當電網(wǎng)電壓恢復時,電池也恢復快速充電。
在輸入端采用較小的電感電容(LC)低通濾波器,即能濾除明顯的di/dt變化而不會干擾電網(wǎng)電壓,這與逆變器輸出端的LC濾波器相同。
傳統(tǒng)UPS的元件和無變壓器UPS的元件對比
無變壓器UPS可以取消的元件,如圖7所示,稱為傳統(tǒng)UPS的“磁性套件”。它包括輸出變壓器、輸入電感、DC母線電抗器、輸出濾波器電感和輸入諧波濾波器電感。它們不但十分沉重,而且體積巨大,和旁邊的無變壓器UPS的部件相比差別十分明顯。
無變壓器UPS中的電感焊接在印刷電路板(PCB)上或者安裝在鋁質(zhì)U形支架上,其體積、重量和成本都比原來小得多，使用鐵氧體磁芯以及雙層的線包繞組即可滿足要求，散熱也方便，如圖8所示。
8無變壓器UPS電感示意圖
采用無變壓器設計的UPS,雖然增加了逆變器的中線橋臂以及電池充放電轉換器,但與減少的磁性元件相比,總體來說成本降低了,并且減少了UPS的體積和重量,其重量是傳統(tǒng)UPS的50%或更低,占地面積為原來的60%,不需要后面和側面接線維修。另外,IGBT整流器極大地提高了UPS的輸入指標,在很寬的負載范圍內(nèi)保持指標不變,并且其整體效率達到94%以上?？梢哉f,這種技術密集型的設計是目前最受歡迎的新一代UPS結構,是將來的發(fā)展趨勢。
