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第四代大功率APCUPS電源的技術——無變壓器設計
1 無變壓器APCUPS電源的技術發展史
自從小功率APC UPS電源問世以來,無變壓器UPS設計經歷了20余年的發展。如今30kVA以下的APC UPS電源絕大多數都是無變壓器的,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)。這種無變壓器設計的趨勢在向著大功率段發展,因為工頻磁性部件是原材料和勞動力密集型工業產品,而高頻電力電子設備是技術密集型產品。一般來說,技術發展成熟時可以提高用戶價值而不必以犧牲可靠性為代價。一旦實現,技術密集型的設計就成為首選的領先方案,開關電源和個人電腦的發展已經證明了這一點。
對于30～200kVA的大功率APC UPS電源,目前廠商已經有無變壓器設計的成熟產品。在過去十年間,大功率的絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)已經發展得非常成熟,在大功率段采用10kHz以上的頻率變換而不會影響效率。另外,一些新的控制技術使得采用無變壓器設計的UPS進一步降低了開關損耗,因而比傳統UPS整體效率更高。功率范圍200～1100kVA的UPS,最大的挑戰是在高電壓下快速通斷大電流,而沒有過多的損耗或過高的峰值電壓。
圖1 傳統UPS與無變壓器UPS結構示意圖
2 傳統UPS的設計原理
傳統UPS與無變壓器設計UPS的基本結構如圖1所示。傳統UPS采用的晶閘管整流器,考慮到電網電壓的波動范圍,三相整流輸出的直流電壓(充電電壓)一般為500Vdc以下。UPS電池組中的電池數一般為32～35只。當電池放電時,直流電壓更低。再通過IGBT逆變器經過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行升壓以達到輸出380V交流電源。
圖2 UPS的典型輸入特性
為了提高效率和性價比,傳統UPS一般采用6脈波晶閘管整流,這會產生很大的輸入諧波電流并降低輸入功率因數,這在許多場合是不可接受的,并且與一些發電機不兼容。要使諧波THDi低于5%～10%以及功率因數高于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,它們不能在較寬的負載范圍內降低諧波和提高功率因數,它們通常在60%以上負載率時才有效,如圖2所示。在負載率低于40%時,輸入功率因數將變為超前,使得與發電機不兼容。輸入功率因數還隨市電電壓變化,參數表只是標稱值。
為了提高輸入指標,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。在滿載時輸入指標可以達到THD<5%,PF>0.95,但在半載或更低負載時輸入指標將嚴重惡化。各種UPS在不同負載時的輸入諧波含量如表1所示。
對于輸入諧波,其影響的嚴重程度取決于特殊的應用和現場環境。例如,一個10%失真的設備在低頻時引起的電壓失真比高頻時要小。沒有合適的輸入濾波器,晶閘管(SCR)關斷時產生的快速di/dt(電流尖峰)將引起嚴重的線路電壓凹陷,進而影響電網上的鄰近設備。
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(示波器實拍)。通過輸入電感限制di/dt,輸入諧波THD>30%。
3 無變壓器UPS的設計特點
無變壓器UPS設計的實現,是因為采用了IGBT整流器。由于采用了PWM控制技術,可以使整流器產生升壓輸出(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。適當的直流高壓通過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 無變壓器UPS的典型輸入特性
圖5 無變壓器UPS典型輸入和輸出波形
無變壓器設計的IGBT整流器在10%～100%的負載范圍內保持了高功率因數和低輸入諧波,如圖4所示。它與發電機高度兼容,從而避免了發電機選擇的超容量要求。IGBT整流器的優秀輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內都保持不變,如圖5所示。
無變壓器設計的UPS中IGBT的開關頻率越高,所使用的濾波器電感越小,響應時間越快,波形越好。目前IGBT的開關頻率已經達到10kHz以上。
圖6 無變壓器UPS電力傳輸電路
圖6所示為無變壓器UPS的電力傳輸電路。無需輸出變壓器,通過新型的4橋臂逆變器而產生輸出中線和三相電壓。UPS在線工作時整流輸入只需要三個相線,但旁路工作時中線必須連接。在傳統的UPS結構中,通常用△/Y變壓器來產生輸出中線。
4 無變壓器UPS的電池管理特點
可以使用半橋轉換器使電池電壓與直流母線電壓獨立,并適應更廣的電池電壓范圍(例如192～240個單體)。此轉換器還能使電池置于開路狀態以避免長期浮充電壓的直流脈動電流和加速老化(特別是在高溫場合)。由于具有這一特點,ABM技術和其他充電技術被用來有效地延長電池壽命。ABM技術是多數大功率UPS所采用的電池充電設計。
圖7 傳統UPS與無變壓器UPS結構對比 圖8 無變壓器UPS電感示意圖
IGBT整流器從電網吸取能量,輸入功率因數PF>0.99,逆變器提供輸出電流,可以支持90%額定容量的負載功率,同時給電池充電。當電網電壓降低時,電池充電將暫停以保證負載輸出。當電網電壓恢復時,電池也恢復快速充電。
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*電網電壓,這與逆變器輸出端的LC濾波器相同。
5 傳統UPS的元件和無變壓器UPS的元件對比
無變壓器UPS可以取消的元件,如圖7所示,稱為傳統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,和旁邊的無變壓器UPS的部件相比差別十分明顯。
無變壓器UPS中的電感焊接在印刷電路板(PCB)上或者安裝在鋁質U形支架上,其體積、重量和成本都比原來小得多，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。