第四代大功率UPS的技术—无变压器设计

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,如图4所示。它与发电机高度兼容,从而避免了发电机选择的超容量要求。IGBT整流器的优秀输入特性在整个输入电压工作范围内都保持不变,如图5所示。

无变压器设计的UPS中IGBT的开关频率越高,所使用的滤波器电感越小,响应时间越快,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电力传输电路

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须连接。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

可以使用半桥转换器使电池电压与直流母线电压独立,并适应更广的电池电压范围(例如192～240个单体)。此转换器还能使电池置于开路状态以避免长期浮充电压的直流脉动电流和加速老化(特别是在高温场合)。由于具有这一特点,ABM技术和其他充电技术被用来有效地延长电池寿命。ABM技术是多数大功率UPS所采用的电池充电设计。

图7  传统UPS与无变压器UPS结构对比　　图8  无变压器UPS电感示意图

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。当电网电压恢复时,电池也恢复快速充电。

在输入端采用较小的电感电容(LC)低通滤波器,即能滤除明显的di/dt变化而不会干扰电网电压,这与逆变器输出端的LC滤波器相同。

5   传统UPS的元件和无变压器UPS的元件对比

无变压器UPS可以取消的元件,如图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。它们不但十分沉重,而且体积巨大,和旁边的无变压器UPS的部件相比差别十分明显。

无变压器UPS中的电感焊接在印刷电路板(PCB)上或者安装在铝质U形支架上,其体积、重量和成本都比原来小得多，使用铁氧体磁芯以及双层的线包绕组即可满足要求，散热也方便，如图8所示。

6   结束语

采用无变压器设计的UPS,虽然增加了逆变器的中线桥臂以及电池充放电转换器,但与减少的磁性元件相比,总体来说成本降低了,并且减少了UPS的体积和重量,其重量是传统UPS的50%或更低,占地面积为原来的60%,不需要后面和侧面接线维修。另外,IGBT整流器极大地提高了UPS的输入指标,在很宽的负载范围内保持指标不变,并且其整体效率达到94%以上。可以说,这种技术密集型的设计是目前最受欢迎的新一代UPS结构,是将来的发展趋势。