廣義軟開關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS
摘要:介紹了采用廣義軟開關(guān)的串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的工作原理與控制方式,這是一種新型在線軟開關(guān)UPS。
關(guān)鍵詞:串并聯(lián)補(bǔ)償;在線UPS;廣義軟開關(guān)
Series? parallel Compensation On-line UPS with Generalized Soft Switching
LIU Feng-jun
Abstract:The operating principle and control method of series-parallel compensation on? line UPS with generalized soft switching are described. This is a novel on-line UPS of soft switching.
Keywords:Series-parallel compensation; On-line UPS; Generalized soft switching
中圖分類號(hào):TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0219-2713(2003)04-0170-07
1 引言
串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的電路型式、工作原理與控制方式,我已作過了全面的介紹[1],但采用的都是硬開關(guān),因此效率低,電磁干擾大,而采用傳統(tǒng)的軟開關(guān)(直流諧振環(huán)或極諧振軟開關(guān))又會(huì)使電路太復(fù)雜。折中這兩種開關(guān)狀態(tài),采用廣義軟開關(guān),既不增加電路的復(fù)雜性,又可以使其基本工作在軟開關(guān)狀態(tài)。
PWM逆變器的廣義軟開關(guān)定義和原理我也曾作了較詳細(xì)的介紹[2],所謂廣義軟開關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS,實(shí)際上就是使逆變器Ⅰ和Ⅱ采用無損緩沖電路的在線UPS。
2 主電路的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)和各部分的功能
單相串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS的電路如圖1所示。它是由2個(gè)高頻雙向SPWM單相全橋逆變器,以串并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路型式與晶閘管靜態(tài)開關(guān)和蓄電池等一起組合而成的,各部分的功能為
圖1 單 相 串 并 聯(lián) 補(bǔ) 償 在 線UPS電 路
逆變器Ⅰ 主要作用是控制市電,只輸入有功電流,使輸入功率因數(shù)等于1;對(duì)市電輸入電壓的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償;控制輸入功率與輸出功率的平衡。其設(shè)計(jì)功率為標(biāo)稱功率的20%。
逆變器Ⅱ 主要作用是控制輸出電壓為穩(wěn)定純凈的正弦電壓;向負(fù)載提供無功與諧波電流;當(dāng)市電掉電時(shí),向負(fù)載提供全部標(biāo)稱功率,設(shè)計(jì)功率與標(biāo)稱功率相同。
晶閘管靜態(tài)開關(guān)其中旁路開關(guān)的作用是當(dāng)市電正常時(shí)關(guān)斷,當(dāng)逆變器Ⅰ和Ⅱ故障時(shí)開通旁路供電;主靜態(tài)開關(guān)的作用是,當(dāng)市電正常時(shí)導(dǎo)通,當(dāng)市電掉電時(shí)自動(dòng)關(guān)斷,以防止逆變器Ⅱ的功率向市電倒灌。
蓄電池當(dāng)市電停電時(shí),由蓄電池通過逆變器Ⅱ向負(fù)載供電;當(dāng)市電電壓波動(dòng)時(shí),通過逆變器Ⅰ和Ⅱ維持輸入與輸出功率的平衡。
3 逆變器Ⅰ的工作與控制方式
逆變器Ⅰ是用IGBT作開關(guān)的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過輸出變壓器Tr的次級(jí),在UPS輸入端與負(fù)載串聯(lián),主要用于市電電壓±15%變化的增量補(bǔ)償,和消除市電輸入電流中的無功與諧波分量,故也稱作增量(Delta)逆變器,其作用相當(dāng)于一個(gè)可變電流源。
當(dāng)負(fù)載中含有電感和非線性負(fù)載時(shí),市電輸入電流i將滯后于市電電壓,并產(chǎn)生畸變。此時(shí)市電輸入電流i的傅里葉級(jí)數(shù)表示式為
i=I1sin(ωt+φ1)+Insin(nωt+φn)=I1cosφ1sinωt+I1sinφ1cosωt+Insin(nωt+φn)
式中:n為諧波次數(shù);
φ1為基波電流滯后于電壓的相位角;
φn為n次諧波電流滯后于電壓的相位角;
注腳1代表基波。令
ip=I1cosφ1sinωt=Ipsinωt為基波有功電流
iq=I1sinφ1cosωt=Iqcosωt為基波無功電流ih=Insin(nωt+φn)為諧波電流
i=ip+iq+ih要消除市電輸入電流i中的無功與諧波電流iq+ih,就必須將iq+ih從i中分離出來,而后用iq+ih作為調(diào)制波對(duì)逆變器Ⅰ進(jìn)行SPWM調(diào)制,在變壓器Tr次級(jí)得到電壓uc,用uc產(chǎn)生的電流來抵消i中的電流iq+ih,使輸入電流i=ip。
電流iq+ih的檢出電路如圖1所示。其中“基準(zhǔn)正弦電壓”是與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓。市電輸入電流i通過低通濾波器濾除ih,將剩余的電流ip+iq與基準(zhǔn)正弦電壓ur=Umsinωt通過乘法器相乘得到F。
F=(ip+iq)×ur=(I1cosφ1sinωt+I1sinφ1cosωt)×Umsinωt=cosφ1-cosφ1cos(2ωt)
+sinφ1sin(2ωt)
F經(jīng)過含有積分器的有源低通濾波器,濾除二次諧波交流分量后,剩下直流成分g=I1Umcosφ1,式中K為有源濾波器放大倍數(shù)。將g和ur再經(jīng)乘法器相乘后得
ip=g×ur=I1Umcosφ1×Umsinωt=I1Um2cosφ1sinωt
令Um2=1,則得
ip=I1cosφ1sinωt
從市電輸入電流i中減去ip即可得到無功與諧波電流iq+ih,即i-ip=iq+ih=ic*
4 逆變器Ⅱ的工作與控制方式
逆變器Ⅱ也是用IGBT作開關(guān)的高頻雙向SPWM全橋逆變器。它通過交流濾波器LF2CF2,在UPS輸出端與負(fù)載并聯(lián),主要用于使負(fù)載上電壓成為穩(wěn)定純凈的正弦電壓,當(dāng)市電掉電時(shí)向負(fù)載提供100%的功率。故逆變器Ⅱ也稱作主逆變器,其作用相當(dāng)于一個(gè)固定的電壓源。
當(dāng)市電電壓中含有諧波時(shí),其方程式為
u=u1+uh=U1msinωt+Unmsinnωt
式中:u1=U1msinωt為基波電壓;
uh=Unmsinnωt為諧波電壓。
基準(zhǔn)正弦電壓ur=Umsinωt,是一個(gè)與市電同步的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓,電壓精度優(yōu)于0.02%,失真度小于0.5%,容量約為10W。故可視為是恒定不變的標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓。
由圖1中逆變器Ⅱ的控制電路可知,采用的是瞬時(shí)波形比較法。即用負(fù)載電壓uL減去基準(zhǔn)正弦電壓
ur,然后再被基準(zhǔn)正弦電壓ur相減求出SPWM調(diào)制波的方程式
ur-(u-ur)=2ur-u=2Umsinωt-U1msinωt-Unmsinnωt
令調(diào)制波方程式為
uc*=K′〔ur-(u-ur)〕=2K′Umsinωt-K′U1msinωt-K′Unmsinnωt
式中:K′為檢測(cè)變壓器降壓變比。
假定載波三角波的頻率為fc,幅值為Uc,則載波比N=,調(diào)制比的值為
M==-=M1+M2
式中:M1=;M2=-
假定直流電源電壓為Ud,根據(jù)文獻(xiàn)[3]可以得到逆變器Ⅱ的輸出電壓uab的傅里葉級(jí)數(shù)式為
uab=M1Udsinωt+·cosm πsin〔(mN+n)ωt〕+
M2Udsinnωt+·cosm′πsin〔(m′N′+n′)nωt〕
用濾波器LF2,CF2濾除uab中的高次諧波后得到基波與原市電中諧波電壓為
uab1=M1Udsinωt+M2Udsinnωt
將M1=K′;M2=-代入上式得
uab1=K′Udsinωt+-K′Udsinnωt [!--empirenews.page--]
令K′=代入上式則得
uab1=2Umsinωt-U1msinωt-Unmsinnωt
由于市電電壓u與逆變器Ⅱ的輸出電壓uab1通過它們各自的濾波電感LF1和LF2,在電路的A點(diǎn)并聯(lián)后向負(fù)載供電如圖1所示,故根據(jù)電工學(xué)中節(jié)點(diǎn)電壓法可知
uL=
uL=/
如果取LF1=LF2,則負(fù)載電壓uL為
uL==
將u=U1msinωt+Unmsinnωt與
uab1=2Umsinωt-U1msinωt-Unmsinnωt
代入上式得
uL=(2Umsinωt-U1msinωt-Unmsinnωt+U1msinωt+Unmsinnωt)=Umsinωt=ur
此式說明,按著圖1中逆變器Ⅱ的控制方法,即使市電電壓中含有諧波,也可以使負(fù)載電壓uL,成為等于基準(zhǔn)電壓ur的不變的穩(wěn)定純凈正弦波電壓。
5 對(duì)市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償
由于負(fù)載電壓uL在逆變器Ⅱ的控制下保持uL=ur穩(wěn)定不變,因而UPS的輸入與輸出端之間就會(huì)出現(xiàn)電壓差,這個(gè)電壓差反映的是有功功率之差,需要靠逆變器Ⅰ和Ⅱ的聯(lián)合工作,并通過逆變器Ⅰ進(jìn)行補(bǔ)償。逆變器Ⅰ有兩個(gè)反饋信號(hào),一個(gè)是市電輸入電流,另一個(gè)是蓄電池電壓Ud的變化ΔUd。由于ΔUd是直流,故將其加到了控制電路的g上,g代表的是與市電電壓同相位的市電輸入有功電流。
市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償過程,與逆變器Ⅰ和Ⅱ的工作狀態(tài)如圖1所示。
當(dāng)市電電壓u大于負(fù)載電壓uL時(shí),由于u的升高使A點(diǎn)電壓上升,逆變器Ⅱ的控制電路為保持uL=ur不變,使輸出電壓uab1下降,迫使逆變器Ⅱ工作在整流狀態(tài),給蓄電池充電,使ud上升到Udr+ΔUd>Udr,+ΔUd使逆變器Ⅰ在Tr次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)補(bǔ)償電壓-uc,方向與電流相反,以減少市電電壓的升高,使u-uc=uL=ur。變壓器Tr次級(jí)阻抗Z產(chǎn)生的壓降為zi與u方向相反,-uc也與u方向相反,故u加到Tr次級(jí)的壓降為Δu=zi+uc>uc,使逆變器Ⅰ處于整流狀態(tài)。對(duì)于逆變器Ⅱ,由于補(bǔ)償后uL=ur(1+1%)>ur=uab1,故逆變器Ⅱ也處于整流狀態(tài),使蓄電池電壓上升。當(dāng)ud上升到某一值,使uab1大于uL時(shí),逆變器Ⅱ由整流變換到逆變狀態(tài)。此時(shí),逆變器Ⅰ吸收功率,逆變器Ⅱ輸出功率,當(dāng)吸收功率等于輸出功率時(shí)達(dá)到平衡,使蓄電池多存儲(chǔ)了一些能量,Ud比補(bǔ)償前稍高一些,以維持負(fù)補(bǔ)償電壓-uc的存在。
當(dāng)市電電壓小于負(fù)載電壓uL時(shí),A點(diǎn)電壓下降,逆變器Ⅱ的控制電路為保持uL=ur不變而使uab1上升,使uL<uab1,迫使逆變器Ⅱ處于逆變狀態(tài),電池電壓下降,當(dāng)降到Udr-ΔUd時(shí),-ΔUd使逆變器Ⅰ在Tr次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)正補(bǔ)償電壓+uc,使u+uc=uL=ur。市電加到Tr次級(jí)上的電壓Δu=uc-iz<uc,使逆變器Ⅰ工作在逆變狀態(tài)。對(duì)于逆變器Ⅱ,補(bǔ)償后uL=ur(1-1%)<ur=uab1,逆變器Ⅱ處于逆變狀態(tài),使蓄電池電壓下降,當(dāng)降到使uab1低于uL時(shí)逆變器Ⅱ由逆變轉(zhuǎn)換到整流狀態(tài)。逆變器Ⅰ輸出功率,逆變器Ⅱ吸收功率,當(dāng)輸出與輸入功率相等時(shí)達(dá)到功率平衡。蓄電池多輸出了一些能量,故電池電壓比補(bǔ)償前低一些,以維持正補(bǔ)償電壓+uc的存在。
6 負(fù)載無功與諧波電流的供給
由圖1可知,逆變器Ⅱ在A點(diǎn)與市電并聯(lián)后共同向負(fù)載供電。由于市電輸入電流只是有功電流,根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流為零的定律,在節(jié)點(diǎn)A負(fù)載所需的電流iL=ip+iq+ih,因而逆變器Ⅱ的輸出電流為iL-i=ip+iq+ih-ip=iq+ih。
7 在線UPS所采用的廣義軟開關(guān)
上面以單相串并聯(lián)補(bǔ)償在線USP為例,介紹了它的組成,各部分功能,原理與控制方式。下面介紹在線UPS中逆變器Ⅰ和Ⅱ的廣義軟開關(guān)電路。
串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS中的逆變器Ⅰ和Ⅱ,實(shí)際普遍采用的電路是單相半橋、單相全橋、三相半橋和三相全橋電路。下面選用具有代表性的單相半橋、單相全橋或三相半橋電路為例進(jìn)行介紹。
7.1 單相半橋逆變器的廣義軟開關(guān)電路
單相半橋逆變器的廣義軟開關(guān)電路如圖2所示,其中圖2(a)為電路圖,圖2(b)為開關(guān)波形圖。在圖2(a)中,S1、S2為主逆變開關(guān),S1的無損關(guān)斷緩沖電路由二極管Ds1、Ds2、Ds3、緩沖電容Cs1、Cs2(Cs1=Cs2)和諧振電感Ls1組成。LF為濾波電感,Z_為負(fù)載(阻性或感性),Cd1=Cd2為直流分壓電容,Ud為直流電源電壓,us為S1兩端的電壓,is為流過S1的電流。
(a) 電 路 圖
(b) 開 關(guān)S1的 開 關(guān) 波 形
圖2 單 相 半 橋 逆 變 器 的 無 損 緩 沖 電 路
電路的原始狀態(tài)為:S1、S2關(guān)斷,Cs1、Cs2上電壓ucs1=ucs2=0。當(dāng)開關(guān)S1開通后,Cd1上電壓Ud/2通過S1、LF向負(fù)載供電,直流電源Ud通過開關(guān)S1、諧振電感Ls1、二極管Ds2,沿著虛線所示路徑,對(duì)緩沖電容Cs1、Cs2充電。其等效電路如圖3(a)所示,其中ucs1=ucs2為緩沖電容Cs1、Cs2上的電壓,uL為Ls1上電壓,RL為Ls1中的電阻,iL為流過Ls1的電流。在選定的電壓和電流方向下,根據(jù)基爾霍夫定律(考慮Cs1=Cs2)可得
uL+uRL+ucs1+ucs2=uL+uRL+2ucs1=Ud
由于iL==
uRL=iLRL=RL
uL=Ls1=Ls1
則
Ls1+RL+2ucs1=Ud
由于RL<2,所以電路是諧振的。
對(duì)上式求解可得
2ucs1=Ud-Ude-δt((δ/ω)sinωt+cosω t)
式中:δ=;ω=;ω0=。
當(dāng)ω t=π時(shí),sinωt=0;cosωt=-1
則2ucs1=Ud+Ude-δt
當(dāng)RL=0時(shí),2ucs1=2Ud,ucs1=Ud。
充電過程中,ucs1和iL的波形如圖3(c)所示。當(dāng)ω t=π時(shí),ucs1=Ud,iL=0。
當(dāng)S1關(guān)斷時(shí),由于Cs1、Cs2上電壓ucs1=ucs2=Ud,開關(guān)S1上電壓us=Ud-ucs1=0,所以S1是零電壓關(guān)斷。S1關(guān)斷后,Cs1、Cs2上電壓ucs1=ucs2=Ud通過濾波電感LF、負(fù)載ZL和直流分壓電容Cdz,沿著圖2(a)中點(diǎn)劃線所示的路徑放電,其等效電路如圖3(b)所示。由基爾霍夫定律得
-ucs1+uL+uR-Ud/2=0
設(shè)R為負(fù)載電阻,LFZ為濾波與負(fù)載電感,由于iz=-2Cs1;uR=Riz=-2RCs1
uL=LFZ=-2LFZCs1
代入上式得
2LFZCs1+2RCs1+ucs1-Ud/2=0
對(duì)于多數(shù)情況R<2,所以電路是諧振的。
求解上式可得ucs1-Ud/2=e-δ′t(sinωt+cosω t)
式中:δ′=;ω=;ω0=。
當(dāng)ω t=π時(shí),sinωt=0;cosωt=-1
則ucs1-Ud/2=-e-δ′t
當(dāng)R=0時(shí),ucs1-Ud/2=-Ud/2,ucs1=0
放電過程中ucs1和iz的波形如圖3(c)所示。
(a) 充 電 過 程 (b) 放 電 過 程 [!--empirenews.page--]
(c) 波 形 圖
圖 3 Cs1、Cs2充 電 與 放 電 過 程 等 效 電 路 與 波 形
當(dāng)ω t=π時(shí),ucs1=0,iz=0
當(dāng)R=2時(shí),ucs1=(1+δ′t)e-δ′t
由于δ′=很大,Cs1較小,故ucs1按非諧振規(guī)律很快下降到零。
當(dāng)R>2,LFZ≈0時(shí),τ=2RCs1,當(dāng)t=τ時(shí),ucs1=0.368Ud/2,當(dāng)t=2τ時(shí),ucs1=0.135Ud/2,當(dāng)t=3τ時(shí),ucs1=0.050Ud/2,由于Cs1很小,所以ucs1下降速度很快。
7.2 單相半橋逆變器廣義軟開關(guān)的工作過程
單相半橋逆變器無損關(guān)斷緩沖電路的工作過程如圖2(a)、(b)所示。在t<0時(shí),S1飽和導(dǎo)通,ucs1=ucs2已充電到Ud。當(dāng)S1關(guān)斷時(shí),通過S1的電流is逐漸下降,S1兩端的電壓us=Ud-ucs1。Cs1、Ds3、Cs2、Ds1支路通過直流電源與S1并聯(lián),相當(dāng)于在S1上并聯(lián)了一個(gè)已充電到ucs1=ucs2=Ud的緩沖電容Cs=Cs1+Cs2,此時(shí)Ds2反偏置,Ls1中電流iL=0,Cs1和Cs2通過LF、zL和Cd2放電,ucs1=ucs2逐漸下降到零,S1上的電壓us=Ud-ucs1逐漸上升到Ud。假定逆變器按單極性工作,在S1再一次開通之前由于LF與zL中電感的作用,與S2并聯(lián)的二極管D2續(xù)流,iD2=iZL。當(dāng)S1開通時(shí),is逐漸上升,負(fù)載電流IZL=is+iDZ,S1上電壓受D2導(dǎo)通的牽制,仍保持Ud不變。當(dāng)is上升到is=IZL時(shí),iD2=0,D2反偏置,S1進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài),S1上電壓us迅速下降到零,相當(dāng)于一個(gè)躍變電壓Ud突然加到Cs1、Ls1、Ds2、Cs2支路上,Ds2導(dǎo)通,Cs1、Cs2充電。半個(gè)諧振周期后,Cs1、Cs2上電壓ucs1=ucs2=Ud,iL=0,Ds2反偏置。
從以上說明可知,S1工作在零電壓關(guān)斷狀態(tài),Cs1、Cs2上存儲(chǔ)的能量,通過放電轉(zhuǎn)送到負(fù)載或反饋回電源,故是無損關(guān)斷緩沖電路。
電路中的LF,既是輸出濾波電感,也是主開關(guān)S1、S2的開通緩沖電感,它可以使S1、S2零電流開通,存儲(chǔ)在LF中的能量同樣也轉(zhuǎn)送到了負(fù)載或反饋回電源,故是一種無損開通緩沖電路。
7.3 單相全橋與三相半橋逆變器的廣義軟開關(guān)
上述開關(guān)無損緩沖電路,也可以應(yīng)用于單相全橋與三相半橋逆變器,如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知,它們都是由單相半橋逆變器組成的,圖中Cd1和Cd2為共同直流分壓電容,故工作原理與緩沖電容的充放電方式與半橋逆變器相同。這里必須指出的是,對(duì)于圖4所示單相全橋逆變器,當(dāng)采用圖6(a)所示單極性SPWM脈沖控制時(shí),直流分壓電容Cd1和Cd2可以不用。例如主開關(guān)S1和S4在輸出正半周,按圖6(a)所示單極SPWM脈沖波形工作時(shí),緩沖電容的充、放電路徑如圖4中點(diǎn)劃線和虛線所示。逆變器的SPWM控制電路如圖6(b)、(c)所示,其中圖6(b)用于單相全橋逆變器,圖6(c)用于三相半橋逆變器。
圖 4 單 相 全 橋 廣 義 軟 開 關(guān) 電 路
圖 5 三 相 半 橋 廣 義 軟 開 關(guān) 電 路
(a) 波 形 圖
(b) 單 相 全 橋 控 制 電 路
(c) 三 相 半 橋 控 制 電 路
圖 6 SPWM單 極 性 脈 沖 波 形 與 控 制 電 路
8 廣義軟開關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS應(yīng)用舉例
采用廣義軟開關(guān)的串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS電路如圖1、圖7、圖8所示。其中圖1為采用單相全橋逆變器的在線UPS,圖7為采用三相全橋逆變器的在線UPS,圖8為采用三相半橋逆變器的在線UPS。圖中的無損緩沖電路與圖4和圖5相同,在UPS電路中沒有畫出。
圖7 采 用 三 相 全 橋 逆 變 器 的 廣 義 軟 開 關(guān) 在 線UPS
圖8 采用三 相 半 橋 逆 變 器 的 廣 義 軟 開 關(guān) 在 線UPS
9 結(jié)語
上面介紹的廣義軟開關(guān),是一種無源、無損緩沖電路式的軟化開關(guān)。它可以達(dá)到與傳統(tǒng)ZVT或ZCT
軟開關(guān)幾乎相同的指標(biāo),但比傳統(tǒng)軟開關(guān)具有電路簡單,成本低廉,可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。先進(jìn)的串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS采用廣義軟開關(guān)后,可以使效率進(jìn)一步提高,電磁干擾大大降低,也使市場(chǎng)競(jìng)爭力進(jìn)一步得到增強(qiáng)。