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无输出变压器型UPS技术的研究(上)

来源:机房360 作者:张广明 更新时间:2013-10-12 14:46:16

摘要:随着功率半导体器件的发展与进步,UPS经历了由多个输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程,UPS在高频化、小型化、节能化和环保化等方面取得了长足的进步。IGBT升压整流和无输出变压器的高频机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着UPS技术的发展方向。

  1 UPS电路技术的发展历程

  最初的UPS中的逆变器都是带有输出变压器的。应该说,采用输出变压器是UPS逆变器输出电路形式所决定的,而变压器的存在却是弊大于利。逆变器电路技术演变过程的一个显著的表现形式是:是否必须用输出变压器?如何配置输出变压器?是否可能去掉输出变压器?

  上世纪70年代生产的第一代三相UPS的典型电路结构形式如图1所示。图中所示的UPS包括一个由降压式自耦变压器绕组供电的二极管全波整流器和一个与整流器相并联、由自耦变压器的辅助二次侧绕组供电的晶闸管电池充电器。当电网停电时静态开关可将电池组连接到直流母线上供电。


  逆变器由4个三相逆变器以全波方式运行(按照基波频率进行换向),每一个三相逆变器都与变压器的一次侧绕组相连接(三角形连接),再把这些二次侧绕组开放式变压器(Open Phase Transformers) 的二次侧以一定方式进行连接,以获得合成的输出电压。这4个变压器被分为两组,每一组都包含一个星形和一个Z形(曲折星形)的二次侧绕组,这两个二次侧绕组之间具有30°相位差。这一特殊的连接可消除n=6k±1(k为奇数)次的电压谐波,这等效于12脉波整流器中的两个移相式绕组在变压器一次侧中可抵消5、7次谐波。对于在变压器一次侧绕组中每相可能出现的3次和3n次电流谐波,由一次侧绕组的三角形接线方式来抵消,因此,输出端首先需要滤除的谐波为第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位(0<φ<180°)来完成的。由于首先需要滤除的是第11次谐波,所以输出滤波器的尺寸较小,这使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。

  以晶闸管为基本功率器件的电路存在着换相安全和功率损耗的问题,为减少电路的能量损失和改善控制功能,下一代UPS开始使用一种新的脉冲电路,每个晶闸管都有其相应的灭弧电路。整个设备仅需两个变压器,如图2所示。为消除n=6k±1(k为奇数)次的谐波,只需要一组相位相差30°的逆变器,而这30°的相移是预先设置好的,并在每台变压器一次侧以“脉冲宽度调节”的方式(PWM)来实现对电压的调整。为达到预期的输出电压,可以将上述换向电路应用于每周期6次固定换向的基本脉宽调制(PWM)电路。

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