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UPS技術:無變壓器技術解析

來源:中國綠色數據中心 作者:張廣明 更新時間:2009-12-17 16:55:59

摘要:“高頻機”。這種機型集中體現了UPS電路技術的進步,代表著UPS技術的發展方向。與傳統的帶輸出變壓器的UPS相比,它在進一步縮小體積、減輕重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面,都取得了明顯的改善和進步。

  功率電子設備的技術進步與功率器件的性能提高、新器件的不斷出現有著密切的關系。50年來,隨著功率半導體器件的進步,UPS設備經歷了由多輸出工頻變壓器到單個輸出工頻變壓器的演變過程,而性能更好的大功率IGBT器件和更先進的控制技術的出現,為UPS設備從根本去掉輸出隔離變壓器創造了物質條件,使其在高頻化、小型化、節能化和綠色環保化方面取得了長足的進展,這就是人們所說的“高頻機”。這種機型集中體現了UPS電路技術的進步,代表著UPS技術的發展方向。與傳統的帶輸出變壓器的UPS相比,它在進一步縮小體積、減輕重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面,都取得了明顯的改善和進步。

    一、 UPS電路的演變史反映了UPS電路技術的發展歷程

    最初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應該說,采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的,而變壓器的存在卻是弊大于利。逆變器電路技術演變過程的一個顯著的表現形式是:是否必須用變壓器,如何配置變壓器,是否可能去掉變壓器。



圖1是20世紀70年代生產的第一代三相UPS的典型電路結構形式

    圖1所示的UPS包括一個由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個與整流器相并聯的、由自耦變壓器的輔助二次側繞組供電的可控硅電池充電器。當電網停電時靜態開關可將電池組連接到直流母線上供電。

    逆變器由4個三相逆變器以全波方式運行(按照基波頻率進行換向),每一個三相逆變器都與變壓器的一次側繞組相連接(三角形連接),再把這些二次側繞組開放式變壓器(Open Phase Transformers)的二次側以一定方式進行連接,以獲得合成的輸出電壓。這4個變壓器被分為兩組,每一組都包含一個星形和一個Z形(曲折星形)的二次側繞組,這兩個二次側繞組之間具有30°相位差。這一特殊的連接可消除n=6k±1(k為奇數)次的電壓諧波,這等效于12脈沖整流器中的兩個移相式繞組在變壓器一次側中可抵消5、7次諧波。對于在變壓器一次側繞組中每相可能出現的3次和3n次電流諧波,由一次側繞組的三角形接線方式來抵消。因此,輸出端首先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調整是通過移動兩組變壓器之間的相位(0<φ<180°)來完成的。由于首先需要濾除的是第11次諧波,所以輸出濾波器的尺寸較小,這使得逆變器對負載變化的動態響應特性加快。

    以可控硅(晶閘管)為基本功率器件的電路存在著換相安全和功率損耗的問題,為減少電路的能量損失和改善控制功能,下一代系統開始使用一種新的脈沖電路,每個晶閘管都有其相應的滅弧電路。整個設備僅需兩個變壓器,如圖2所示。為消除n=6k±1(k為奇數)次的諧波,只需要一組相位相差30°的逆變器,而這30°的相移是預先設置好的,并在每臺變壓器一次側以“脈沖寬度調節”的方式(PWM)來實現對電壓的調整。為達到預期的輸出電壓,可以將上述換向電路應用于每周期6次固定換向的基本脈寬調制電路(PWM)。


    變壓器的數量從4個減少到2個,但為了能進一步減少變壓器的數量,就不得不提高逆變電路的性能,以便通過優化PWM就能達到目的,而無需再使用兩組變壓器的耦合方式。以前使用兩組移相30°的變壓器是為了減小低次諧波(5、7次),因為他們的幅值較大,要濾除他們比較困難。只用一個變壓器的UPS如圖3所示。電路中,變壓器的二次側繞組為曲折星形連接,每個逆變器以基波的7倍頻率來斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波,在設計時以盡可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標。輸出電壓的調整是通過移動兩組逆變器橋之間的相位進行的。

 

    自20世紀80年代起,UPS逆變器開始只含有一個變壓器。同時,隨著功率半導體器件的革新,雙極型功率晶體管以及電子控制級的IGBT等功率半導體器件的出現,逆變電路中的可控硅器件被取代(見圖4和圖5),但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續且一直持續到二十一世紀伊始,其間雖然在1995年出現了無變壓器的逆變器結構,然而此類產品僅適用于功率小于等于30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導體器件換向時的損耗較大,而較高的耐壓要求又使得人們很難在不用變壓器的條件下成功地制作出大容量的逆變器。

    圖4的逆變器采用IGBT器件,變壓器二次側繞組采用星形連接。每個一次側繞組都連接到兩個逆變器支路的中點,組成實際上是三個單相全控制的逆變器橋。因此,在二次側繞組上得到的電壓是獨立進行調節的,這可有效地確保輸出電壓的良好平衡,而不管三相負載電流是否處于平衡狀態。使用橋式組件的連接方式可使每個支路的變換頻率相對于標稱變換頻率減小1/2,這樣每個支路都只在正弦波的1/2個周期內工作。

    圖5只有一個逆變器(三相全橋),此變壓器的耦合方式采用一次側三角形/二次側曲折星形連接。這種連接方式可實現兩個額外的功能。首先,它可以實時(即刻、瞬間)地調節每相的輸出電壓,而各相輸出電壓都與逆變器的逆變支路相對應。此外,變壓器二次側的Z形連接所吸收的負載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側繞組,使這些諧波電流只在一次側繞組內流動,這樣,可降低IGBT的換向電流,從而減少了換向損耗。

    以上所述就是逆變器中的變壓器是如何逐步發展演變的過程。 

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