大功率無變壓器UPS的新理論

　　l 引言

　　在UPS電源里，成本最高、最重的元件之一是輸出變壓器。由于用來束縛頻率的變壓器磁心材料的成本和重量減小的可能性很小，在過去20年電力電子的巨大進(jìn)步中，在改變電路原理后，已經(jīng)可以做到不需要輸出變壓器。用電力電子元件替代變壓器，可以使UPS電源的制造變得更經(jīng)濟(jì)，未來的成本還會得到進(jìn)一步優(yōu)化。

　　幾年以前，這一技術(shù)已經(jīng)在較小功率、特別是在單相、lOKVA以下的UPS電源領(lǐng)域應(yīng)用，在200kVA以下的中功率領(lǐng)域也得到了開發(fā)。而大功率領(lǐng)域的開發(fā)則剛剛起步。

　　這一新原理包含在稱之為真在線UPS原理之中。利用這一原理，UPS電源可以依據(jù)EN62040標(biāo)準(zhǔn)的第三部分予以設(shè)計(jì)，并依據(jù)最大輸出功率指標(biāo)這一工作特性進(jìn)行分類，屬于VFl-SS-111類。對于中功率和大功率電源，本文的討論焦點(diǎn)集中于三相，并不關(guān)心UPS的其他技術(shù)。

　　2 變壓器的作用

　　在圖l所示的無變壓器電路原理中，過去由變壓器所完成的各項(xiàng)功能現(xiàn)在必須由電路的其他元件和(或)適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制來完成。

　　變壓器的最重要功能之一是使逆變器的輸出電壓適應(yīng)設(shè)備的輸出電壓。傳統(tǒng)的UPS 原理配備了一個(gè)可控的或不可控的整流器，這就產(chǎn)生了直流回路電壓，該電壓總是小于上游平均電壓的峰值，并在欠電壓工作期間產(chǎn)生DC回路電壓的最低值。如果電池照常與直流回路直接連接，那么，在充電電壓和放電終了電壓之間變化的電池電壓將成為附加電壓，已經(jīng)計(jì)算出在一個(gè)400V的UPS電源里的這一電壓大約是300V。如果一個(gè)三相逆變器在這樣的直流回路電壓下工作，那它形成的三相交流電源的線電壓約為200V，將這一電壓調(diào)整到下游400V電壓的工作由輸出變壓器完成。

　　400V電壓是絕大多數(shù)具有負(fù)載中線的四線制的電壓，而一個(gè)三相三滯環(huán)逆變器產(chǎn)生的是無中線的三相電。通過輸出變壓器的DY或DZ矢量組的設(shè)計(jì)使生成由三滯環(huán)逆變器饋電的四線制成為可能。見圖2。

　　由傳統(tǒng)SCR和二極管整流器產(chǎn)生的DC回路電壓還相對于一個(gè)恒定的DC回路電壓 (從正到負(fù))進(jìn)行振蕩，該振蕩與上游以每秒l50周的頻率進(jìn)行饋電的系統(tǒng)中線有關(guān)，這時(shí)，由逆變器產(chǎn)生的三相系統(tǒng)以及它的假想振蕩中心不僅與上游中線有關(guān)，還與下游輸出中線有關(guān)，因?yàn)檩敵鲋芯�通常是直接接地，或者是經(jīng)由旁路接地，這一必要的振蕩可能只是輸出變壓器電絕緣的作用。

　　UPS的輸出電壓由逆變器產(chǎn)生，這是輸出電壓的基礎(chǔ)，還要用脈寬調(diào)制的方法，用幾kHz的脈沖頻率將它調(diào)制成方波信號。為了抑制脈沖頻率并讓波形規(guī)整，用電感和電容設(shè)計(jì)一個(gè)能夠有效過濾二次諧波的過濾器是必不可少的。因?yàn)殡姼型ǔＳ米儔浩鞯穆╇姼�，所�?FONT color=#0000ff>變壓器就成了輸出濾波器的單元之一。

　　由于輸出變壓器對三相的不平衡和直流組分極其敏感，因此必須給逆變器配以合適的電磁電流控制器，以避免電流中的直流組分。然而由于輸出變壓器的存在，自然就要對接在輸出端的負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，以免受變壓器的作用，因?yàn)樽儔浩骺偸且�通過飽和作用對逆變器的三相系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

　　3 變壓器功能的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)沒有變壓器的UPS，變壓器的功能必須用電子元件和特別適合的控制原理來替代。見圖4。

[$page]　　為了產(chǎn)生每秒50周的名義上的400V輸出電壓，電路類型和逆變器控制是實(shí)質(zhì)問題。為了產(chǎn)生三相四線制輸出的中線，輸出濾波器的設(shè)汁，特別是對于非線性負(fù)載下的理想的動態(tài)存儲，都必須在700V至800V的直流電壓區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。這一電壓必須是在所有的工作模式下都有效(一般工作、電池工作，還有在電池的最后放電電壓下工作）。

　　無變壓器UPS的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是三相四線輸出的可承載中線的產(chǎn)生。對于這一功能，無變壓器UPS的逆變器與使用變壓器、或者是驅(qū)動應(yīng)用情況下使用變頻器的UPS的逆變器具有相當(dāng)大的區(qū)別。如今，對于這樣的逆變器通常有2種電路解決方案。

　　一種解決方案是將逆變器的直流回路用2個(gè)開關(guān)串聯(lián)做成。DC回路電容的中心與輸出中線相連(見圖5)，從而DC的電勢被固定并與三相系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。結(jié)果是DC回路電壓必然處于下列范圍：

　　這種中線產(chǎn)生方法是很經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)镈C回路總是存在著2個(gè)串聯(lián)的開關(guān)電容。不利的是，由于直流回路間電位的高低不同而產(chǎn)生的三次諧波部分比較大，增加了電容負(fù)載，因此在設(shè)計(jì)DC回路電容時(shí)，必須以和單相負(fù)載一樣的方法對待。

　　可供選擇的另一個(gè)簡單的解決方案是用第四個(gè)逆變滯環(huán)產(chǎn)生中線(見圖6）。這種情況下的DC回路的直流電壓比較小。

　　這一電路的價(jià)格相對比較貴，這是因?yàn)榈谒膫�(gè)逆變滯環(huán)必須設(shè)計(jì)成一個(gè)可用于非線性負(fù)載的電源，中線電流中的三次諧波不是加在零上，而是加到額定相電流的倍上面，作為中線的逆變滯環(huán)的設(shè)計(jì)必須比三相滯環(huán)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格很多。

　　這里還解釋了在DC回路中使用較小電壓將被受到限制的可能性。通過控制與DC回路的假想中心相關(guān)的逆變器第四滯環(huán)來改變?nèi)�相系統(tǒng)的中心(中線)，在輸出端中線接地的情況下(主要形式：TN或TT)，將導(dǎo)致DC回路電壓相對于地的位移，反之亦然。對于一般工作模式的整流器必須能夠做到讓DC回路電勢的位移成為可能。值得注意的是