一種獨特的性能優越的UPS逆變技術

1引言

UPS主要由整流器、電池組、靜態旁路、逆變器、控制系統等幾大部分組成。因為逆變器是在線式UPS的功率最終輸出環節，因此逆變器性能的好壞對UPS總體性能起著決定性的作用。目前UPS中逆變器幾乎都是采用正弦波脈寬調制（SPWM）控制技術，所采用的功率驅動器件多為IGBT模塊。在小型UPS中，其IGBT的SPWM控制頻率在20kHz～40kHz，隨著額定功率的不斷增加，即在大中型（例如：10kVA～300kVA）UPS中，用于逆變器的功率器件IGBT的額定電流也越來越大，因此IGBT的開通時間tr和下降時間tf也就越來越長，開關損耗也相應增加，為保證UPS逆變器的運行安全可靠及高效率，就迫使大中型UPS中IGBT的SPWM控制頻率逐漸下降到2kHz～10kHz。逆變頻率對于UPS逆變器性能存在著如下的影響：逆變頻率的提高使作為濾波器的慣性元件，如電感、電容的尺寸大大減少，使得UPS的噪聲抑制,動態響應速度和電壓精度等指標均得以大幅度提高；然而，隨著逆變頻率的提高，開關損耗亦隨之增大，從而降低了UPS逆變器的效率。于是解決上述矛盾，就成了UPS制造商改變UPS性能的有效途徑。另外，在三進三出UPS中，使用者最頭痛的是三相負載不平衡所產生的問題，因此人們就希望有一種UPS能帶100％不平衡負載。

2倍頻逆變技術

倍頻逆變電路如圖1所示。其中變壓器原邊的正弦脈寬信號的頻率是IGBT觸發信號的2倍。S1，S2，S3，S4的柵極G1，G2，G3，G4的正弦脈寬觸發信號及VP逆變頻率波形如圖2所示。圖2中VG1與VG2,VG3與VG4相位相反，其工作過程如下：

在ta～tb期間，VG1>0，VG4>0，VG2=0，VG3=0，S1、S4導通，S2、S3截止。變壓器初級電流IP沿著E＋→S1→變壓器初級“1”→“2”→S4→E－路徑流動，由于S1、S4導通，故VP=Ldi/dt。變壓器初級PWM波形VP和變壓器次級波形Vout如圖2所示。

在tb～tc期間，VG1>0，VG3>0，VG2=0，VG4=0,S2、S4截止，IP除沿著“2”→V7→S1→1路徑流動外還沿著“2”→V7→E＋→E－→V6→“1”路徑流動，變壓器中的能量一部分消耗在回路電阻上，另一部分反饋給直流電源。由于V7，S1導通，VP=0、Vout=0，變壓器中能量釋放完后，S1自動截止。

圖1塞里克魯DL系列三進三出UPS其中一相逆變器原理圖

圖2倍頻逆變器波形圖

在tc～td期間，VG1>0，VG4>0,VG2=0,VG3=0,S1、S4導通,S2、S3截止。情況同ta～tb。

在td～te期間，VG2>0，VG4>0,VG1=0,VG3=0,S1、S3截止。IP除沿著“2”→S4→V6→“1”路徑流動外還沿著2→V7→E＋→E－→V6→1路徑流動，使變壓器中的能量一部分消耗在回路電阻上，另一部分反饋給直流電源。由于V6、S4導通，VP=0、Vout=0，變壓器中能量釋放完后，S4自動截止。

以后便重復上述過程，經過上述變換后，輸出電壓VP的頻率，是IGBT驅動信號脈沖頻率的兩倍，因此稱之為倍頻逆變技術。如果IGBT的控制頻率是10kHz，則在變壓器初級就能得到頻率為20kHz的PWM脈沖源VP，經隔離變壓器及LC濾波后，輸出50Hz的交流電源Vout，VP和Vout波形如圖2所示。

提高逆變頻率要解決的問題之一是減少LC濾波器的體積，輸出LC濾波器的參數與開關頻率的關系為：

ωn2=1/L·C（1）

通常取ωn=K×2π×2fp(fp為開關頻率，fp=10kHz；fV=2fp=20kHz；K為電氣常數。）

L·C=1/（K×2π×2fp）2=

1/（K×2π×fV）2=

1/(4π2K2fV2)(2)

從式（2）可以看出濾波器LC的取值和fV的平方成反比,因而采用了倍頻逆變技術后,與具有同樣的開關損耗(影響UPS的逆變器效率)的10kHz的同頻逆變電路相比,其濾波器的參數減少了4倍,因而其濾波器的體積大大減少；20kHz的逆變頻率與10kHz的逆變頻率相比動態響應速度更快,因此對急劇變動的負載(階躍性負載)的響應速度更快,輸出穩定度,及輸出精度更高。

常規的UPS逆變器輸出LC濾波器的設計方法是采用輸出變壓器(有隔離變壓器的UPS)自身的漏感與外加電容進行濾波的，這樣就使其濾波性能無形中受到了變壓器變比、輸出功率、控制頻率等諸多因素的牽制，而塞里克魯UPS的輸出變壓器和輸出濾波電感是完全獨立的，如圖3所示，這樣就能使濾波器的設計更加盡善盡美，使輸出電壓波形更好。

3三相獨立調節逆變器

在使用三進三出UPS時,最擔心的是三相負載的不平衡問題。經銷商在宣傳樣本中往往都說自己的UPS可帶100％不平衡負載，那么究竟什么樣的三相電路結構的UPS才能真正帶100％不平衡負載呢?

常規的三進三出UPS電路中,大多采用的是三相橋式逆變器,如圖4所示。

當S5,S6，S1導通時,首先電流ic沿著E＋→S5→變壓器初級繞組cb→S6→E－流通，則ucb=L，uW=M。

然后S5與S1換相，換相結束后電流iA沿著E＋→S1→變壓器初級繞組ab→S6→E－流通，則uab=L,uV=M。

圖3塞里克魯UPS原理框圖

圖4傳統的UPS三相橋式逆變器

圖5西班牙塞里克魯DL系列UPS三相輸出逆變器原理

由圖4可知：

iB=icb＋iab（3）

同理：

iC=iac＋ibc(4)

iA=iba＋ica(5)

從式（3）～式（5）可知，每一相的電流變化都會涉及到其它兩相,若三相負載不平衡,極端的情況是其中一相空載或兩相空載。對于這種電路結構的中、大功率三相UPS，如果輸出U相空載，即iU=0，則iac=ica=0，由式（3）～式（5）可知這將造成三相逆變橋各橋臂工作電流的嚴重不平衡，將使B橋臂因嚴重過流而燒毀開關器件，因此這種結構的逆變器最大不平衡負載程度為50％，根本不能帶100％不平衡負載。

為了適應三相負載不平的需要，西班牙塞里克魯公司設計生產的DL系列UPS給出了可帶100％不平衡負載的解決途徑，如圖5所示。三相獨立調節逆變技術是利用三個單相橋分別進行變換，然后再把輸出按120°相位差組合起來，三個單相的逆變器是獨立工作的，因而三相輸出互不影響，也就是說相當于三個輸出相位相差120°的單相UPS，各帶各的負載，哪個（相）空載，哪個（相）滿載都無所謂。這就是基于三相獨立調節的可帶100％不平衡負載的UPS。從圖4和圖5可以看出，廠家為解決這一問題，付出了比常規三相橋式逆變電路多出1倍的IGBT（12個單體IGBT），因而大大增加了產品的制造成本。

因此，塞里克魯公司生產的DL系列三進三出UPS因其所采用的獨特的性能優越的逆變技術，使UPS的輸出電壓精度、輸出波形、動態響應速度、帶載能力等指標非常優越，在廠礦、油田、廣播電視等苛刻型負載與用電環境中運行穩定，為用戶提供了極為可靠的電力保證。

4結語

中、大功率三相UPS負載的不平衡問題直接影響著UPS的穩定運行。常規的采用三相逆變器的UPS，由于自身電路結構的局限，使得其所能承受的最大不平衡負載程度僅為50％，從而極大地限制了其應用領域。

采用三個獨立控制的單相逆變器，將其輸出按相位差120°組合成三相逆變器（UPS），各帶各的負載，互不影響，使得最大不平衡負載程度可達100％，從而拓寬了其應用領域。