第四代大功率UPS的技術―無變壓器設計

　　圖5 無變壓器UPS典型輸入和輸出波形
　　無變壓器設計的IGBT整流器在10%～100%的負載范圍內保持了高功率因數和低輸入諧波,如圖4所示。它與發電機高度兼容,從而避免了發電機選擇的超容量要求。IGBT整流器的優秀輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內都保持不變,如圖5所示。

　　無變壓器設計的UPS中IGBT的開關頻率越高,所使用的濾波器電感越小,響應時間越快,波形越好。目前IGBT的開關頻率已經達到10kHz以上。

　　圖6 無變壓器UPS電力傳輸電路
　　圖6所示為無變壓器UPS的電力傳輸電路。無需輸出變壓器,通過新型的4橋臂逆變器而產生輸出中線和三相電壓。UPS在線工作時整流輸入只需要三個相線,但旁路工作時中線必須連接。在傳統的UPS結構中,通常用△/Y變壓器來產生輸出中線。

　　4 無變壓器UPS的電池管理特點

　　可以使用半橋轉換器使電池電壓與直流母線電壓獨立,并適應更廣的電池電壓范圍(例如192～240個單體)。此轉換器還能使電池置于開路狀態以避免長期浮充電壓的直流脈動電流和加速老化(特別是在高溫場合)。由于具有這一特點,ABM技術和其他充電技術被用來有效地延長電池壽命。ABM技術是多數大功率UPS所采用的電池充電設計。

　　圖7 傳統UPS與無變壓器UPS結構對比 圖8 無變壓器UPS電感示意圖
　　IGBT整流器從電網吸取能量,輸入功率因數PF>0.99,逆變器提供輸出電流,可以支持90%額定容量的負載功率,同時給電池充電。當電網電壓降低時,電池充電將暫停以保證負載輸出。當電網電壓恢復時,電池也恢復快速充電。

　　在輸入端采用較小的電感電容(LC)低通濾波器,即能濾除明顯的di/dt變化而不會干擾電網電壓,這與逆變器輸出端的LC濾波器相同。

　　5 傳統UPS的元件和無變壓器UPS的元件對比

　　無變壓器UPS可以取消的元件,如圖7所示,稱為傳統UPS的“磁性套件”。它包括輸出變壓器、輸入電感、DC母線電抗器、輸出濾波器電感和輸入諧波濾波器電感。它們不但十分沉重,而且體積巨大,和旁邊的無變壓器UPS的部件相比差別十分明顯。

　　無變壓器UPS中的電感焊接在印刷電路板(PCB)上或者安裝在鋁質U形支架上,其體積、重量和成本都比原來小得多，使用鐵氧體磁芯以及雙層的線包繞組即可滿足要求，散熱也方便，如圖8所示。

　　6 結束語

　　采用無變壓器設計的UPS,雖然增加了逆變器的中線橋臂以及電池充放電轉換器,但與減少的磁性元件相比,總體來說成本降低了,并且減少了UPS的體積和重量,其重量是傳統UPS的50%或更低,占地面積為原來的60%,不需要后面和側面接線維修。另外,IGBT整流器極大地提高了UPS的輸入指標,在很寬的負載范圍內保持指標不變,并且其整體效率達到94%以上。可以說,這種技術密集型的設計是目前最受歡迎的新一代UPS結構,是將來的發展趨勢。