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未来UPS技术趋势:无变压器技术解析
[发布时间]:2012年9月26日 [来源]:电子发烧友 [点击率]:24489
【导读】: 功率电子设备的技术进步与功率器件的性能提高、新器件的不断出现有着密切的关系。50年来,随着功率半导体器件的进步,UPS设备经历了由多输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程,而性能更好的大功率...

对于三相输入的大功率传统双变换UPS,其输入电路是三相整流形成统一的直流母线(同时配备一组蓄电池),输入功率因数校正和升压原理与单相相似,电路形式有由三个单相PFC组合式、单开关三相PFC、三开关三相PFC、六开关三相PFC等多种拓扑结构形式。图14中的输入电路就是六开关(IGBT)三相PFC原理电路。

六开关三相PFC是由六只开关功率器件组成的三相PWM整流电路,图17是其原理电路。每个桥路由上下两只开关管及与其反向并联的二极管组成,每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时,VT4导通使电感La上电流ia增大,电感La充电储能;VT4关断时,电感La感应电压叠加在输入电压UA上(升压),使与VT1并联的二极管VD1导通,电流ia通过VD1流向负载,在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时,可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。

六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V,峰值是537V,所以此电路的输出直流电压可升至800V(±400V),此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。

四、无变压器UPS的性能优势

这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异,不包括下列与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别:

? 电路研制定型水平:与技术人员技术水平、经验和定型流程管理有关;

? 器件选用差别:与电路定型、成本控制和质量管理流程有关;

? 产品质量和稳定性:取绝于生产工艺水平,与人员技术水平、生产和质量控制流程有关;

? 产品功能差别:包括是否有并机功能、是否模块化、系统管理与通讯功能、电池配置和管理水平、电路控制差别

(CPU还是 DSP)、软启动、冷启动、物理结构与可维护性水平等;这些差别与厂商决策人员对设备的研发方向、市场定位、商业取向、成本控制等指道思想有直接的关系。

无变压器UPS的性能优势是针对带输出变压器UPS由于自身的电路结构而不可能达到的固有的缺点相对而言,包括成本、效率、重量和体积等,当然还包括在设备电气性能方面的改进和提高。这些对当前社会提倡的降低能源消耗、节省资源消耗、绿色产品是至关重要的。

1、高输入功率因数低输入电流失真度

为了完成系统升压功能,PFC整流环节成为“高频机”的重要组成部分和必要条件,但它同时又把UPS输入功率因数提高到理想的数值:0.99,把输入电流总谐波失真度THDI降低到5%以下,所以说输入功率因数高、电流失真度低是“高频机”的主要优点之一,这不仅消除了UPS对电网的谐波污染,它还可明显地降低前端设备和线缆的容量。表1为两种结构UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求。

表1:UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求比较表

从表1中数据可以看出,由于带输出变压器UPS(例如12脉冲整流)的输入功率因数低,输入电流谐波大,其输入电流明显地大于无输出变压器的UPS,增加量在27%左右。前端变压器、断路器和线缆的规格都要相应的增大,其中线缆的截面要增加接近一倍。特别是当输入端有备用柴油发电机时,由于谐波电流和12脉冲移相变压器、无源滤波器的影响,UPS

与油机容量的配比从无输出变压器UPS的1:1.3增大到1 :2~4。

表1是输出满负载时的数据,当实际应用中负载减轻时,12脉冲(+11次无源滤波)的输入功率因数会明显地减小,输入电流谐波成分明显增大(见图18),对电网污染和要求系统前端设备容量增大的影响也就更严重。

2、工作效率高

无变压器UPS的整机效率之所以比带变压器UPS的效率高一些,主要来自两个方面,一是去掉了变压器的损耗,大功率变压器的损耗通常在2%左右;二是系统直流母线电压的提高减少电路工作损耗0.5%左右,如果排除电路设计和生产水平差异因素,电路结构的变化可使整机工作效率提高2.5%左右。表2是一组典型的测试数据。

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