第四代大功率UPS的技术—无变压器设计

1   无变压器UPS的技术发展史

自从小功率UPS问世以来,无变压器UPS设计经历了20余年的发展。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(变压器或电感)。这种无变压器设计的趋势在向着大功率段发展,因为工频磁性部件是原材料和劳动力密集型工业产品,而高频电力电子设备是技术密集型产品。一般来说,技术发展成熟时可以提高用户价值而不必以牺牲可靠性为代价。一旦实现,技术密集型的设计就成为首选的领先方案,开关电源和个人电脑的发展已经证明了这一点。

对于30～200kVA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,大功率的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)已经发展得非常成熟,在大功率段采用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用无变压器设计的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200～1100kVA的UPS,最大的挑战是在高电压下快速通断大电流,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结构示意图

2   传统UPS的设计原理

传统UPS与无变压器设计UPS的基本结构如图1所示。传统UPS采用的晶闸管整流器,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)一般为500Vdc以下。UPS电池组中的电池数一般为32～35只。当电池放电时,直流电压更低。再通过IGBT逆变器经过SPWM波形变换后,输出三相交流电压只有二百多V。所以需要输出变压器进行升压以达到输出380V交流电源。

图2 UPS的典型输入特性

为了提高效率和性价比,传统UPS一般采用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,这在许多场合是不可接受的,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谐波滤波器。采用这些元件将增加成本、重量和尺寸。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,如图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。输入功率因数还随市电电压变化,参数表只是标称值。

为了提高输入指标,还可以采用12脉波整流器和输入滤波器。但这些将增加尺寸、重量和成本,并降低整体效率。在满载时输入指标可以达到THD<5%,PF>0.95,但在半载或更低负载时输入指标将严重恶化。

对于输入谐波,其影响的严重程度取决于特殊的应用和现场环境。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)关断时产生的快速di/dt(电流尖峰)将引起严重的线路电压凹陷,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如图3所示(示波器实拍)。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,是因为采用了IGBT整流器。由于采用了PWM控制技术,可以使整流器产生升压输出(Boost),不同的PWM控制方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直接输出380V交流电压,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

来源：维库开发网