UPS

一种独特的性能优越的UPS逆变技术

1引言

UPS主要由整流器、电池组、静态旁路、逆变器、控制系统等几大部分组成。因为逆变器是在线式UPS的功率最终输出环节，因此逆变器性能的好坏对UPS总体性能起着决定性的作用。目前UPS中逆变器几乎都是采用正弦波脉宽调制（SPWM）控制技术，所采用的功率驱动器件多为IGBT模块。在小型UPS中，其IGBT的SPWM控制频率在20kHz～40kHz，随着额定功率的不断增加，即在大中型（例如：10kVA～300kVA）UPS中，用于逆变器的功率器件IGBT的额定电流也越来越大，因此IGBT的开通时间tr和下降时间tf也就越来越长，开关损耗也相应增加，为保证UPS逆变器的运行安全可靠及高效率，就迫使大中型UPS中IGBT的SPWM控制频率逐渐下降到2kHz～10kHz。逆变频率对于UPS逆变器性能存在着如下的影响：逆变频率的提高使作为滤波器的惯性元件，如电感、电容的尺寸大大减少，使得UPS的噪声抑制,动态响应速度和电压精度等指标均得以大幅度提高；然而，随着逆变频率的提高，开关损耗亦随之增大，从而降低了UPS逆变器的效率。于是解决上述矛盾，就成了UPS制造商改变UPS性能的有效途径。另外，在三进三出UPS中，使用者最头痛的是三相负载不平衡所产生的问题，因此人们就希望有一种UPS能带100％不平衡负载。

2倍频逆变技术

倍频逆变电路如图1所示。其中变压器原边的正弦脉宽信号的频率是IGBT触发信号的2倍。S1，S2，S3，S4的栅极G1，G2，G3，G4的正弦脉宽触发信号及VP逆变频率波形如图2所示。图2中VG1与VG2,VG3与VG4相位相反，其工作过程如下：

在ta～tb期间，VG1>0，VG4>0，VG2=0，VG3=0，S1、S4导通，S2、S3截止。变压器初级电流IP沿着E＋→S1→变压器初级“1”→“2”→S4→E－路径流动，由于S1、S4导通，故VP=Ldi/dt。变压器初级PWM波形VP和变压器次级波形Vout如图2所示。

在tb～tc期间，VG1>0，VG3>0，VG2=0，VG4=0,S2、S4截止，IP除沿着“2”→V7→S1→1路径流动外还沿着“2”→V7→E＋→E－→V6→“1”路径流动，变压器中的能量一部分消耗在回路电阻上，另一部分反馈给直流电源。由于V7，S1导通，VP=0、Vout=0，变压器中能量释放完后，S1自动截止。

图1塞里克鲁DL系列三进三出UPS其中一相逆变器原理图

图2倍频逆变器波形图

在tc～td期间，VG1>0，VG4>0,VG2=0,VG3=0,S1、S4导通,S2、S3截止。情况同ta～tb。

在td～te期间，VG2>0，VG4>0,VG1=0,VG3=0,S1、S3截止。IP除沿着“2”→S4→V6→“1”路径流动外还沿着2→V7→E＋→E－→V6→1路径流动，使变压器中的能量一部分消耗在回路电阻上，另一部分反馈给直流电源。由于V6、S4导通，VP=0、Vout=0，变压器中能量释放完后，S4自动截止。

以后便重复上述过程，经过上述变换后，输出电压VP的频率，是IGBT驱动信号脉冲频率的两倍，因此称之为倍频逆变技术。如果IGBT的控制频率是10kHz，则在变压器初级就能得到频率为20kHz的PWM脉冲源VP，经隔离变压器及LC滤波后，输出50Hz的交流电源Vout，VP和Vout波形如图2所示。

提高逆变频率要解决的问题之一是减少LC滤波器的体积，输出LC滤波器的参数与开关频率的关系为：

ωn2=1/L·C（1）

通常取ωn=K×2π×2fp(fp为开关频率，fp=10kHz；fV=2fp=20kHz；K为电气常数。）

L·C=1/（K×2π×2fp）2=

1/（K×2π×fV）2=

1/(4π2K2fV2)(2)

从式（2）可以看出滤波器LC的取值和fV的平方成反比,因而采用了倍频逆变技术后,与具有同样的开关损耗(影响UPS的逆变器效率)的10kHz的同频逆变电路相比,其滤波器的参数减少了4倍,因而其滤波器的体积大大减少；20kHz的逆变频率与10kHz的逆变频率相比动态响应速度更快,因此对急剧变动的负载(阶跃性负载)的响应速度更快,输出稳定度,及输出精度更高。

常规的UPS逆变器输出LC滤波器的设计方法是采用输出变压器(有隔离变压器的UPS)自身的漏感与外加电容进行滤波的，这样就使其滤波性能无形中受到了变压器变比、输出功率、控制频率等诸多因素的牵制，而塞里克鲁UPS的输出变压器和输出滤波电感是完全独立的，如图3所示，这样就能使滤波器的设计更加尽善尽美，使输出电压波形更好。

3三相独立调节逆变器

在使用三进三出UPS时,最担心的是三相负载的不平衡问题。经销商在宣传样本中往往都说自己的UPS可带100％不平衡负载，那么究竟什么样的三相电路结构的UPS才能真正带100％不平衡负载呢?

常规的三进三出UPS电路中,大多采用的是三相桥式逆变器,如图4所示。

当S5,S6，S1导通时,首先电流ic沿着E＋→S5→变压器初级绕组cb→S6→E－流通，则ucb=L，uW=M。

然后S5与S1换相，换相结束后电流iA沿着E＋→S1→变压器初级绕组ab→S6→E－流通，则uab=L,uV=M。

图3塞里克鲁UPS原理框图

图4传统的UPS三相桥式逆变器

图5西班牙塞里克鲁DL系列UPS三相输出逆变器原理

由图4可知：

iB=icb＋iab（3）

同理：

iC=iac＋ibc(4)

iA=iba＋ica(5)

从式（3）～式（5）可知，每一相的电流变化都会涉及到其它两相,若三相负载不平衡,极端的情况是其中一相空载或两相空载。对于这种电路结构的中、大功率三相UPS，如果输出U相空载，即iU=0，则iac=ica=0，由式（3）～式（5）可知这将造成三相逆变桥各桥臂工作电流的严重不平衡，将使B桥臂因严重过流而烧毁开关器件，因此这种结构的逆变器最大不平衡负载程度为50％，根本不能带100％不平衡负载。

为了适应三相负载不平的需要，西班牙塞里克鲁公司设计生产的DL系列UPS给出了可带100％不平衡负载的解决途径，如图5所示。三相独立调节逆变技术是利用三个单相桥分别进行变换，然后再把输出按120°相位差组合起来，三个单相的逆变器是独立工作的，因而三相输出互不影响，也就是说相当于三个输出相位相差120°的单相UPS，各带各的负载，哪个（相）空载，哪个（相）满载都无所谓。这就是基于三相独立调节的可带100％不平衡负载的UPS。从图4和图5可以看出，厂家为解决这一问题，付出了比常规三相桥式逆变电路多出1倍的IGBT（12个单体IGBT），因而大大增加了产品的制造成本。

因此，塞里克鲁公司生产的DL系列三进三出UPS因其所采用的独特的性能优越的逆变技术，使UPS的输出电压精度、输出波形、动态响应速度、带载能力等指标非常优越，在厂矿、油田、广播电视等苛刻型负载与用电环境中运行稳定，为用户提供了极为可靠的电力保证。

4结语

中、大功率三相UPS负载的不平衡问题直接影响着UPS的稳定运行。常规的采用三相逆变器的UPS，由于自身电路结构的局限，使得其所能承受的最大不平衡负载程度仅为50％，从而极大地限制了其应用领域。

采用三个独立控制的单相逆变器，将其输出按相位差120°组合成三相逆变器（UPS），各带各的负载，互不影响，使得最大不平衡负载程度可达100％，从而拓宽了其应用领域。