第四代大功率UPS的技術(shù)―無變壓器設(shè)計(jì)

　　圖5 無變壓器UPS典型輸入和輸出波形
　　無變壓器設(shè)計(jì)的IGBT整流器在10%～100%的負(fù)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(jī)高度兼容,從而避免了發(fā)電機(jī)選擇的超容量要求。IGBT整流器的優(yōu)秀輸入特性在整個(gè)輸入電壓工作范圍內(nèi)都保持不變,如圖5所示。

　　無變壓器設(shè)計(jì)的UPS中IGBT的開關(guān)頻率越高,所使用的濾波器電感越小,響應(yīng)時(shí)間越快,波形越好。目前IGBT的開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)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(shí)整流輸入只需要三個(gè)相線,但旁路工作時(shí)中線必須連接。在傳統(tǒng)的UPS結(jié)構(gòu)中,通常用△/Y變壓器來產(chǎn)生輸出中線。

　　4 無變壓器UPS的電池管理特點(diǎn)

　　可以使用半橋轉(zhuǎn)換器使電池電壓與直流母線電壓獨(dú)立,并適應(yīng)更廣的電池電壓范圍(例如192～240個(gè)單體)。此轉(zhuǎn)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(dòng)電流和加速老化(特別是在高溫場(chǎng)合)。由于具有這一特點(diǎn),ABM技術(shù)和其他充電技術(shù)被用來有效地延長電池壽命。ABM技術(shù)是多數(shù)大功率UPS所采用的電池充電設(shè)計(jì)。

　　圖7 傳統(tǒng)UPS與無變壓器UPS結(jié)構(gòu)對(duì)比 圖8 無變壓器UPS電感示意圖
　　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(fù)載功率,同時(shí)給電池充電。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí),電池充電將暫停以保證負(fù)載輸出。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí),電池也恢復(fù)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(huì)干擾電網(wǎng)電壓,這與逆變器輸出端的LC濾波器相同。

　　5 傳統(tǒng)UPS的元件和無變壓器UPS的元件對(duì)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。

　　6 結(jié)束語

　　采用無變壓器設(shè)計(jì)的UPS,雖然增加了逆變器的中線橋臂以及電池充放電轉(zhuǎn)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(cè)面接線維修。另外,IGBT整流器極大地提高了UPS的輸入指標(biāo),在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)保持指標(biāo)不變,并且其整體效率達(dá)到94%以上。可以說,這種技術(shù)密集型的設(shè)計(jì)是目前最受歡迎的新一代UPS結(jié)構(gòu),是將來的發(fā)展趨勢(shì)。