第四代大功率UPS的技术：无变压器设计

1、第四代大功率ups的技术：无变压器设计1 无ups的技术进展史自从小功率ups问世以来,无变压器ups设计经受了20余年的进展。如今30kva以下的ups绝大多数都是无变压器的,这意味着ups并不一定需要市电频率(工频)的磁性部件(变压器或)。这种无变压器设计的趋势在向着大功率段进展,由于工频磁性部件是原材料和劳动力密集型工业产品,而高频设备是技术密集型产品。普通来说,技术进展成熟时可以提高用户价值而不必以牺牲牢靠性为代价。一旦实现,技术密集型的设计就成为首选的率先计划,和个人电脑的进展已经证实了这一点。对于30200kva的大功率ups,目前多家厂商已经有无变压器设计的成熟产品。在过去十年间

2、,大功率的绝缘栅型双极晶体管()已经进展得十分成熟,在大功率段采纳10khz以上的频率变换而不会影响效率。另外,一些新的控制技术使得采纳无变压器设计的ups进一步降低了开关损耗,因而比传统ups整体效率更高。功率范围2001100kva的ups,最大的挑战是在高下迅速通断大,而没有过多的损耗或过高的峰值电压。图1 传统ups与无变压器ups结构暗示图2 传统ups的设计原理传统ups与无变压器设计ups的基本结构1所示。传统ups采纳的晶闸管整流器,考虑到电网电压的波动范围,三相整流输出的直流电压(充电电压)普通为500vdc以下。ups电池组中的电池数普通为3235只。当电池放电时,直流电压

3、更低。再通过igbt经过s波形变换后,输出三相沟通电压惟独二百多v。所以需要输出变压器举行升压以达到输出380v沟通电源。图2 ups的典型输入特性为了提高效率和性价比,传统ups普通采纳6脉波晶闸管整流,这会产生很大的输入谐波电流并降低输入功率因数,这在许多场合是不行接受的,并且与一些发电机不兼容。要使谐波thdi低于5%10%以及功率因数高于0.99,就需要很大的输入电感和睦波。采纳这些元件将增强成本、分量和尺寸。另外,它们不能在较宽的负载范围内降低谐波和提高功率因数,它们通常在60%以上负载率时才有效,2所示。在负载率低于40%时,输入功率因数将变为超前,使得与发电机不兼容。输入功率因数

4、还随市电电压变幻,参数表只是标称值。为了提高输入指标,还可以采纳12脉波整流器和输入滤波器。但这些将增强尺寸、分量和成本,并降低整体效率。在满载时输入指标可以达到thd0.95,但在半载或更低负载时输入指标将严峻恶化。各种ups在不同负载时的输入谐波含量如表1所示。对于输入谐波,其影响的严峻程度取决于特别的应用和现场环境。例如,一个10%失真的设备在低频时引起的电压失真比高频时要小。没有合适的输入滤波器,晶闸管(scr)关断时产生的迅速di/dt(电流尖峰)将引起严峻的线路电压凹陷,进而影响电网上的邻近设备。图3 6脉波晶闸管整流器输入电流波形典型的6脉波晶闸管整流器的输入电流波形3所示(实拍

5、)。通过输入电感限制di/dt,输入谐波thd>30%。3 无变压器ups的设计特点无变压器ups设计的实现,是由于采纳了igbt整流器。因为采纳了pwm控制技术,可以使整流器产生升压输出(boost),不同的pwm控制办法将获得不同的输出直流电压。目前常用的控制算法有正弦波pwm和空间矢量pwm。适当的直流高压通过逆变器可以挺直输出380v沟通电压,而不再需要变压器升压。图4 无变压器ups的典型输入特性图5 无变压器ups典型输入和输出波形无变压器设计的igbt整流器在10%100%的负载范围内保持了高功率因数和低输入谐波,4所示。它与发电机高度兼容,从而避开了发电机挑选的超容量要求

6、。igbt整流器的优秀输入特性在囫囵输入电压工作范围内都保持不变,5所示。无变压器设计的ups中igbt的开关频率越高,所用法的滤波器电感越小,响应时光越快,波形越好。目前igbt的开关频率已经达到10khz以上。图6 无变压器ups电力传输图6所示为无变压器ups的电力传输电路。无需输出变压器,通过新型的4桥臂逆变器而产生输出中线和三相电压。ups在线工作时整流输入只需要三个相线,但旁路工作时中线必需衔接。在传统的ups结构中,通常用/y变压器来产生输出中线。4 无变压器ups的电池管理特点可以用法半桥转换器使电池电压与直流母线电压自立,并适应更广的电池电压范围(例如192240个单体)。此

7、转换器还能使电池置于开路状态以避开长久浮充电压的直流脉动电流和加速老化(特殊是在高温场合)。因为具有这一特点,abm技术和其他充电技术被用来有效地延伸电池寿命。abm技术是多数大功率ups所采纳的电池充电设计。图7 传统ups与无变压器ups结构对照图8 无变压器ups电感暗示图igbt整流器从电网吸取能量,输入功率因数pf>0.99,逆变器提供输出电流,可以支持90%额定容量的负载功率,同时给电池充电。当电网电压降低时,电池充电将暂停以保证负载输出。当电网电压复原时,电池也复原迅速充电。在输入端采纳较小的电感(lc),即能滤除显然的di/dt变幻而不会干扰电网电压,这与逆变器输出端的l

8、c滤波器相同。5 传统ups的元件和无变压器ups的元件对照无变压器ups可以取消的元件,7所示,称为传统ups的“磁性套件”。它包括输出变压器、输入电感、dc母线电抗器、输出滤波器电感和输入谐波滤波器电感。它们不但非常沉重,而且体积巨大,和旁边的无变压器ups的部件相比差别非常显然。无变压器ups中的电感焊接在印刷电路板()上或者安装在铝质u形支架上,其体积、分量和成本都比本来小得多，用法铁氧体磁芯以及双层的线包绕组即可满足要求，散热也便利，8所示。6 结束语采纳无变压器设计的ups,虽然增强了逆变器的中线桥臂以及电池充放电转换器,但与削减的磁性元件相比,总体来说成本降低了,并且削减了ups的体积和分量,其分量是传统ups的50%或更低,占地面积为