無(wú)變壓器的大功率UPS設(shè)計(jì)

　　自從小功率UPS問(wèn)世以來(lái)，無(wú)變壓器UPS設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)變壓器設(shè)計(jì)的趨勢(shì)在向著大功率段發(fā)展，因?yàn)楣ゎl磁性部件是原材料和勞動(dòng)力密集型工業(yè)產(chǎn)品，而高頻電力電子設(shè)備是技術(shù)密集型產(chǎn)品。

　　一般來(lái)說(shuō)，技術(shù)發(fā)展成熟時(shí)可以提高用戶價(jià)值而不必以犧牲可靠性為代價(jià)。一旦實(shí)現(xiàn)，技術(shù)密集型的設(shè)計(jì)就成為首選的領(lǐng)先方案，開關(guān)電源和個(gè)人電腦的發(fā)展已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。

　　對(duì)于30～200kVA的大功率UPS，目前多家廠商已經(jīng)有無(wú)變壓器設(shè)計(jì)的成熟產(chǎn)品。在過(guò)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(huì)影響效率。

　　另外，一些新的控制技術(shù)使得采用無(wú)變壓器設(shè)計(jì)的UPS進(jìn)一步降低了開關(guān)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(méi)有過(guò)多的損耗或過(guò)高的峰值電壓。

圖1傳統(tǒng)UPS與無(wú)變壓器UPS結(jié)構(gòu)示意圖

　　傳統(tǒng)UPS的設(shè)計(jì)原理

　　傳統(tǒng)UPS與無(wú)變壓器設(shè)計(jì)UPS的基本結(jié)構(gòu)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(dòng)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?cái)?shù)一般為32～35只。當(dāng)電池放電時(shí)，直流電壓更低。再通過(guò)IGBT逆變器經(jīng)過(guò)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(jìn)行升壓以達(dá)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(jià)比，傳統(tǒng)UPS一般采用6脈波晶閘管整流，這會(huì)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(chǎng)合是不可接受的，并且與一些發(fā)電機(jī)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(fù)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(fù)載率時(shí)才有效，如圖2所示。在負(fù)載率低于40%時(shí)，輸入功率因數(shù)將變?yōu)槌埃沟门c發(fā)電機(jī)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(biāo)稱值?！　榱颂岣咻斎胫笜?biāo)，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(shí)輸入指標(biāo)可以達(dá)到THD<5%，PF>0.95，但在半載或更低負(fù)載時(shí)輸入指標(biāo)將嚴(yán)重惡化。各種UPS在不同負(fù)載時(shí)的輸入諧波含量如表1所示。

　　對(duì)于輸入諧波，其影響的嚴(yán)重程度取決于特殊的應(yīng)用和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。例如，一個(gè)10%失真的設(shè)備在低頻時(shí)引起的電壓失真比高頻時(shí)要小。沒(méi)有合適的輸入濾波器，晶閘管（SCR）關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的快速di/dt（電流尖峰）將引起嚴(yán)重的線路電壓凹陷，進(jìn)而影響電網(wǎng)上的鄰近設(shè)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(shí)拍）。通過(guò)輸入電感限制di/dt，輸入諧波THD>30%。

　　無(wú)變壓器UPS的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　無(wú)變壓器UPS設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)椴捎昧薎GBT整流器。由于采用了PWM控制技術(shù)，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(dāng)?shù)闹绷鞲邏和ㄟ^(guò)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(wú)變壓器UPS的典型輸入特性

　　無(wú)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。

圖5無(wú)變壓器UPS典型輸入和輸出波形

　　無(wú)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(wú)變壓器UPS電力傳輸電路　　圖6所示為無(wú)變壓器UPS的電力傳輸電路。無(wú)需輸出變壓器，通過(guò)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(lái)產(chǎn)生輸出中線。

　　無(wú)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(zhǎng)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(lái)有效地延長(zhǎng)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(wú)變壓器UPS結(jié)構(gòu)對(duì)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(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。

　　傳統(tǒng)UPS的元件和無(wú)變壓器UPS的元件對(duì)比

　　無(wú)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(wú)變壓器UPS的部件相比差別十分明顯。

　　無(wú)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(lái)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。

圖8無(wú)變壓器UPS電感示意圖

　　采用無(wú)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(lái)說(shuō)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(lái)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(shuō)，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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。