不要认为工频UPS永远比高频UPS差,不要认为工频UPS永远都不可能赶上或超过高频UPS,这种成见的看法不利于UPS技术的发展。发表本文的目的是试图改变这种看法,说明工频UPS是可以赶上或超过高频UPS的。两种UPS各有特点,相互促进相互竞争对UPS技术的发展会更有利。比一边倒地只支持某一种UPS要好些。
当前的UPS机型有两种,即工频UPS与高频UPS。两种UPS的主要区别是所用整流器型式的不同,前者用的是多相工频整流器,后者用的是高频开关式整流器。
前两年曾出现过工频与高频UPS之争,多数人支持高频UPS,致使工频UPS从原来的热销机型变成了不受欢迎的机型。这就迫使喜欢工频UPS的人发奋去研发新的改进方式。我是支持高频UPS的,但我更支持研发新的工频UPS,目的是形成竞争,互相促进,以推动UPS技术的不断发展。
老式工频UPS有三大缺点:一是市电输入功率因数低,二是体积重量大,三是调节特性是非线性的,有位移因数存在。因此对工频UPS的改进就必须从两个方面入手:一是将老式12脉波晶闸管多相相控整流器改成24相自耦变压器整流器,二是采用Boost阻抗源逆变器,用PWMDC/DCBoost变换器取代晶闸管多相相控整流器。经过这两项改进可以使工频整流变压器的体积重量减少85%,使市电输入功率因数提高到0.9994,使控制特性线性化,去掉了位移因数的影响,满足了市电电压波动±30%的控制要求,同时也使UPS的生产成本降低、效率提高。
124相自耦变压器式工频整流器
自耦变压器式24相工频整流器有多种电路型式,例如直接叠加式、谐波注入式、平衡电感式,每一种电路形式又有可能采用不同的电路方式,总共大概有十来种。但应用较多的是如图1所示的谐波注入式和如图2所示的平衡电感式。前者在我的相关文章中做过介绍,本文将以图2所示的电路为例进行介绍。所得结果也适用于其他电路型式。
图2所示的采用平衡电感的自耦变压器式24相工频整流器,有三部分组成:即自耦变压器、平衡电感和两个三相二极管整流桥1、2。
1.1平衡电感的结构
平衡电感的结构如图3所示,其中图(a)为绕组与抽头方式,图(b)为结构图。平衡电感连接整流桥1、2的输出端,并通过二极管Dp、Dq向负载供电。Um为加到平衡电感上的电压,当Um>0时,二极管Dp导通,Dq截止,由Dp向负载提供电流。根据磁势平衡定律
式中W o为平衡电感总匝数,W t为平衡电感总匝数Wo的中点和抽头之间的匝数。二极管Dp的输出电流为
因此,根据Um的正负变化,平衡电感的输出电流Id1和Id2交替变化,从而改变了整流器的输入电流的波形,如整流桥1的输入电流ia1的波形如图4所示,最终使市电输入电流变成24相整流器的市电输入电流波形。
1.2市电输入电流的谐波分析
自耦变压器的电压和电流相量关系如图5所示,Ua1、Ub1、Uc1与Ua2、Ub2、Uc2分别相差π/6=30°,与输入电压Ua、Ub、Uc分别相差±15°。自耦变压器的结构如图6所示。
由图2中自耦变压器的绕组结构关系可得
式中,U a为市电输入电压由图6得
所用自耦变压器的容量,只相当于一般变压器的15.4%。
1.5仿真与实验
文献[1]给出了用MATI.AB对图2所示采用平衡电感的自耦变压器式24相工频整流器的仿真与实验结果,仿真得到的电流ia1的波形、平衡电感上电压Um的波形和市电输入电流ia的波形,如图7所示。
实验是用400Hz相电压为150V的三相中频电源进行的,测得输出直流电压为345.6V,在输入电流ia中不含5、7、11、13、17、19次谐波,实测的THDI=3.4%,比计算值小一倍,原因是平衡电感通过电流Id1、Id2对ia波形的影响没有完全考虑在内,实际的市电输入功率因数
2阻抗源(Z-Source)逆变器[2]
所谓阻抗源逆变器,就是在直流电源与逆变器之间,加入LC无源低通滤波器,将滤波器中的电感L用作直流电源与逆变器之间阻抗的一种逆变器。把直流电源与L组成的逆变器电源叫做阻抗源,把用阻抗源供电的逆变器叫做阻抗源逆变器,如图8所示。也常常把BoostDC/DC变换器加入到阻抗源中,使其可以灵活地升压,以改变逆变器输出电压。图8所示的逆变器就是把阻抗源中的电感L与
开关管S和二极管VD组成BoostDC/DC变换器,故称为Boost阻抗源逆变器。这就使阻抗源具有灵活的升压功能,应用于工频UPS时具有如下优点:
(1)可以使逆变器不设置死区;
(2)可以减少市电电源与负载之间的相互影响,减少市电输入电流和逆变器输出电压的谐波含量;
(3)可以提高UPS的总效率;
(4)可以减小电路的体积重量;
(5)可以调压。
自耦变压器式工频UPS有一个很大的特点,即它没有隔离作用,市电电源与负载之间有电的直接联系,负载与市电电源之间的互相影响是不容忽视的。采用阻抗源逆变器可以减少这种影响。而且工频UPS一般整流器的输出电压较低,需要用BoostDC/DC变换器进行升压或调压,采用Boost阻抗源逆变器,就可以满足升压与调压的要求。
此外,由图8可以看出,其中BoostDC/DC变换器的开关S,由于电感L和电容C的存在,使其成为ZVS零电压软开关,几乎没有开关损耗,因此这种UPS的效率是比较高的,而且调节也是线性的,与自耦变压器式工频整流器组成的UPS是一种相当完美的组合。这种组合可以把工频UPS的优点继续保持(除了隔离功能外),并把高频UPS的优点也融入其中,如果再把节能式软开关技术用于Boost阻抗源逆变器中,这种自耦变压器式24相工频UPS,将是当今UPS技术的一次创新,它的性能有望赶上或超过高频UPS,使工频UPS重新成为大家欢迎的热销机型。
3 结束语
工频与高频UPS的逆变器部分是相同的,两者性能的差别主要在整流器部分,而老式工频整流器的性能差主要是由整流变压器和晶闸管多相相控造成的。采用自耦变压器式工频整流器与Boost阻抗源逆变器彻底消除了老式工频UPS体积重量大,输入功率因数低,控制非线性的缺点,并把高频UPS的优点也融入其中,把UPS的市电输入功率因数提高到0.9994,把整流器的体积重量减小了85%,把整流器的开关损耗降到了几乎为零,提高了效率,降低了成本,增加了可靠性,某些性能优于高频UPS,是工频UPS的一次飞越。有望重新成为受人们欢迎的热销机型。