UPS

一种独特的性能优越的ups逆变技术 1引言 ups主要由整流器、电池组、静态旁路、逆变器、控制系统等几大部分组成。因为逆变器是在线式ups的功率最终输出环节，因此逆变器性能的好坏对ups总体性能起着决定性的作用。目前ups中逆变器几乎都是采用正弦波脉宽调制（spwm）控制技术，所采用的功率驱动器件多为igbt模块。在小型ups中，其igbt的spwm控制频率在20khz～40khz，随着额定功率的不断增加，即在大中型（例如：10kva～300kva）ups中，用于逆变器的功率器件igbt的额定电流也越来越大，因此igbt的开通时间tr和下降时间tf也就越来越长，开关损耗也相应增加，为保证ups逆变器的运行安全可靠及高效率，就迫使大中型ups中igbt的spwm控制频率逐渐下降到2khz～10khz。逆变频率对于ups逆变器性能存在着如下的影响：逆变频率的提高使作为滤波器的惯性元件，如电感、电容的尺寸大大减少，使得ups的噪声抑制,动态响应速度和电压精度等指标均得以大幅度提高；然而，随着逆变频率的提高，开关损耗亦随之增大，从而降低了ups逆变器的效率。于是解决上述矛盾，就成了ups制造商改变ups性能的有效途径。另外，在三进三出ups中，使用者最头痛的是三相负载不平衡所产生的问题，因此人们就希望有一种ups能带100％不平衡负载。 2倍频逆变技术倍频逆变电路如图1所示。其中变压器原边的正弦脉宽信号的频率是igbt触发信号的2倍。s1，s2，s3，s4的栅极g1，g2，g3，g4的正弦脉宽触发信号及vp逆变频率波形如图2所示。图2中vg1与vg2,vg3与vg4相位相反，其工作过程如下：在ta～tb期间，vg1>0，vg4>0，vg2=0，vg3=0，s1、s4导通，s2、s3截止。变压器初级电流ip沿着e＋→s1→变压器初级“1”→“2”→s4→e－路径流动，由于s1、s4导通，故vp=ldi/dt。变压器初级pwm波形vp和变压器次级波形vout如图2所示。在tb～tc期间，vg1>0，vg3>0，vg2=0，vg4=0,s2、s4截止，ip除沿着“2”→v7→s1→1路径流动外还沿着“2”→v7→e＋→e－→v6→“1”路径流动，变压器中的能量一部分消耗在回路电阻上，另一部分反馈给直流电源。由于v7，s1导通，vp=0、vout=0，变压器中能量释放完后，s1自动截止。图1塞里克鲁dl系列三进三出ups其中一相逆变器原理图图2倍频逆变器波形图在tc～td期间，vg1>0，vg4>0,vg2=0,vg3=0,s1、s4导通,s2、s3截止。情况同ta～tb。在td～te期间，vg2>0，vg4>0,vg1=0,vg3=0,s1、s3截止。ip除沿着“2”→s4→v6→“1”路径流动外还沿着2→v7→e＋→e－→v6→1路径流动，使变压器中的能量一部分消耗在回路电阻上，另一部分反馈给直流电源。由于v6、s4导通，vp=0、vout=0，变压器中能量释放完后，s4自动截止。以后便重复上述过程，经过上述变换后，输出电压vp的频率，是igbt驱动信号脉冲频率的两倍，因此称之为倍频逆变技术。如果igbt的控制频率是10khz，则在变压器初级就能得到频率为20khz的pwm脉冲源vp，经隔离变压器及lc滤波后，输出50hz的交流电源vout，vp和vout波形如图2所示。提高逆变频率要解决的问题之一是减少lc滤波器的体积，输出lc滤波器的参数与开关频率的关系为： ωn2=1/l·c（1）通常取ωn=k×2π×2fp(fp为开关频率，fp=10khz；fv=2fp=20khz；k为电气常数。） l·c=1/（k×2π×2fp）2= 1/（k×2π×fv）2= 1/(4π2k2fv2)(2) 从式（2）可以看出滤波器lc的取值和fv的平方成反比,因而采用了倍频逆变技术后,与具有同样的开关损耗(影响ups的逆变器效率)的10khz的同频逆变电路相比,其滤波器的参数减少了4倍,因而其滤波器的体积大大减少；20khz的逆变频率与10khz的逆变频率相比动态响应速度更快,因此对急剧变动的负载(阶跃性负载)的响应速度更快,输出稳定度,及输出精度更高。常规的ups逆变器输出lc滤波器的设计方法是采用输出变压器(有隔离变压器的ups)自身的漏感与外加电容进行滤波的，这样就使其滤波性能无形中受到了变压器变比、输出功率、控制频率等诸多因素的牵制，而塞里克鲁ups的输出变压器和输出滤波电感是完全独立的，如图3所示，这样就能使滤波器的设计更加尽善尽美，使输出电压波形更好。 3三相独立调节逆变器在使用三进三出ups时,最担心的是三相负载的不平衡问题。经销商在宣传样本中往往都说自己的ups可带100％不平衡负载，那么究竟什么样的三相电路结构的ups才能真正带100％不平衡负载呢? 常规的三进三出ups电路中,大多采用的是三相桥式逆变器,如图4所示。当s5,s6，s1导通时,首先电流ic沿着e＋→s5→变压器初级绕组cb→s6→e－流通，则ucb=l，uw=m。然后s5与s1换相，换相结束后电流ia沿着e＋→s1→变压器初级绕组ab→s6→e－流通，则uab=l,uv=m。图3塞里克鲁ups原理框图
图4传统的ups三相桥式逆变器图5西班牙塞里克鲁dl系列ups三相输出逆变器原理由图4可知： ib=icb＋iab（3）同理： ic=iac＋ibc(4) ia=iba＋ica(5) 从式（3）～式（5）可知，每一相的电流变化都会涉及到其它两相,若三相负载不平衡,极端的情况是其中一相空载或两相空载。对于这种电路结构的中、大功率三相ups，如果输出u相空载，即iu=0，则iac=ica=0，由式（3）～式（5）可知这将造成三相逆变桥各桥臂工作电流的严重不平衡，将使b桥臂因严重过流而烧毁开关器件，因此这种结构的逆变器最大不平衡负载程度为50％，根本不能带100％不平衡负载。为了适应三相负载不平的需要，西班牙塞里克鲁公司设计生产的dl系列ups给出了可带100％不平衡负载的解决途径，如图5所示。三相独立调节逆变技术是利用三个单相桥分别进行变换，然后再把输出按120°相位差组合起来，三个单相的逆变器是独立工作的，因而三相输出互不影响，也就是说相当于三个输出相位相差120°的单相ups，各带各的负载，哪个（相）空载，哪个（相）满载都无所谓。这就是基于三相独立调节的可带100％不平衡负载的ups。从图4和图5可以看出，厂家为解决这一问题，付出了比常规三相桥式逆变电路多出1倍的igbt（12个单体igbt），因而大大增加了产品的制造成本。因此，塞里克鲁公司生产的dl系列三进三出ups因其所采用的独特的性能优越的逆变技术，使ups的输出电压精度、输出波形、动态响应速度、带载能力等指标非常优越，在厂矿、油田、广播电视等苛刻型负载与用电环境中运行稳定，为用户提供了极为可靠的电力保证。 4结语中、大功率三相ups负载的不平衡问题直接影响着ups的稳定运行。常规的采用三相逆变器的ups，由于自身电路结构的局限，使得其所能承受的最大不平衡负载程度仅为50％，从而极大地限制了其应用领域。采用三个独立控制的单相逆变器，将其输出按相位差120°组合成三相逆变器（ups），各带各的负载，互不影响，使得最大不平衡负载程度可达100％，从而拓宽了其应用领域。