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大功率无变压器UPS的新实际
公布工夫: 2015年04月13日 【字体:

  正在UPS电源里,本钱最高、最重的元件之一是输出变压器。因为用来约束频次的变压器磁心材料的本钱和重量减小的可能性很小,正在已往20年电力电子的伟大前进中,正在改动电路道理后,曾经能够做到不需要输出变压器。用电力电子元件替换变压器,能够使UPS电源的制造变得更经济,将来的本钱借会获得进一步优化。
  几年之前,那一手艺曾经正在较小功率、特别是正在单相、lOKVA以下的UPS电源范畴运用,正在200kVA以下的中功率范畴也得到了开辟。而大功率范畴的开辟则方才起步。
  那一新道理包罗正在称之为实在线UPS道理当中。应用那一道理,UPS电源能够根据EN62040尺度的第三局部予以设想,并根据最大输出功率目标那一事情特性停止分类,属于VFl-SS-111类。关于中功率和大功率电源,本文的议论核心集中于三相,其实不体贴UPS的其他手艺。
  2 变压器的感化
  正在图l所示的无变压器电路道理中,已往由变压器所完成的各项功用如今必需由电路的其他元件和(或)恰当的掌握机制去完成。
  变压器的最重要功用之一是使逆变器的输出电压顺应装备的输出电压。传统的UPS道理装备了一个可控的或不可控的整流器,那便发生了直流回路电压,该电压老是小于上游均匀电压的峰值,并正在短电压事情时期发生DC回路电压的最低值。若是电池照旧取直流回路间接衔接,那么,正在充电电压和放电结束电压之间转变的电池电压将成为附加电压,曾经计算出正在一个400V的UPS电源里的那一电压约莫是300V。若是一个三相逆变器正在如许的直流回路电压下工做,那它构成的三相交换电源的线电压约为200V,将这一电压调解到下流400V电压的事情由输出变压器完成。
  400V电压是绝大多数具有负载中线的四线制的电压,而一个三相三滞环逆变器发生的是无中线的三相电。经由过程输出变压器的DY或DZ矢量组的设想使天生由三滞环逆变器馈电的四线制成为能够。见图2。
  由传统SCR和二极管整流器发生的DC回路电压借相对一个恒定的DC回路电压(从正到负)停止振荡,该振荡取上游以每秒l50周的频次停止馈电的体系中线有关,这时候,由逆变器发生的三相体系和它的设想振荡中央不只取上游中线有关,借取下流输出中线有关,由于输出中线一般是间接接地,大概是经过旁路接地,那一需要的振荡能够只是输出变压器电绝缘的感化。
  UPS的输出电压由逆变器发生,那是输出电压的根蒂根基,还要用脉宽调制的要领,用几kHz的脉冲频次将它调制成方波旌旗灯号。为了抑止脉冲频次并让波形规整,用电感和电容设想一个可以或许有用过滤二次谐波的过滤器是必不可少的。由于电感一般用变压器的泄电感,以是变压器便成了输出滤波器的单位之一。
  因为输出变压器对三相的不平衡和直流组分极为敏感,因而必需给逆变器配以适宜的电磁电流控制器,以制止电流中的直流组分。但是因为输出变压器的存在,天然就要对接正在输出端的负载停止珍爱,以免受变压器的感化,由于变压器老是要经由过程饱和感化对逆变器的三相体系发生滋扰。
  3 变压器功用的实现
  为了实现没有变压器的UPS,变压器的功用必需用电子元件和稀奇合适的掌握道理去替换。见图4。
  为了发生每秒50周的名义上的400V输出电压,电路范例和逆变器掌握是本质题目。为了发生三相四线制输出的中线,输出滤波器的设汁,特别是关于非线性负载下的幻想的静态存储,皆必需正在700V至800V的直流电压区间停止盘算。那一电压必需是正在所有的事情形式下皆有用(一样平常事情、电池事情,另有正在电池的最初放电电压下工做)。
  无变压器UPS的一个特别应战是三相四线输出的可承载中线的发生。关于那一功用,无变压器UPS的逆变器取运用变压器、大概是驱动运用状况下运用变频器的UPS的逆变器具有相称大的区分。现在,关于如许的逆变器一般有2种电路解决方案。
  一种解决方案是将逆变器的直流回路用2个开关串连做成。DC回路电容的中央取输出中线相连(见图5),从而DC的电势被流动并取三相体系相干联。结果是DC回路电压一定处于以下局限:
  这类中线发生要领是很经济的,由于DC回路老是存在着2个串连的开关电容。晦气的是,因为直流回路间电位的上下差别而发生的三次谐波局部比较大,增添了电容负载,因而正在设想DC回路电容时,必需以和单相负载一样的要领看待。
  可供挑选的另一个简朴的解决方案是用第四个逆变滞环发生中线(见图6)。这种情况下的DC回路的直流电压比较小。
  那一电路的价钱相对对照贵,那是由于第四个逆变滞环必需设想成一个可用于非线性负载的电源,中线电流中的三次谐波不是加正在整上,而是加到额定相电流的倍上面,作为中线的逆变滞环的设想必需比三相滞环的设想严厉许多。
  这里借注释了正在DC回路中运用较小电压将被遭到限定的可能性。经由过程掌握取DC回路的设想中央相干的逆变器第四滞环来改动三相体系的中央(中线),正在输出端中线接地的状况下(重要情势:TN或TT),将致使DC回路电压相对天的位移,反之亦然。关于一样平常事情形式的整流器必需可以或许做到让DC回路电势的位移成为能够。值得注重的是,输入和输出网点能够变得互相太不对称,因而,这类情势的DC回路位移是临界的。正在变压器UPS中,那一电势的位移是经由过程输出变压器的直流断绝去实现的。见图7。
  作为输出滤波器一部分的变压器泄电感是对照轻易用雷同电感量的扼流圈来替换的。但是必需运用单相扼流圈,由于必需让UPS可以或许背不对称负载馈电。
  正在无变压器UPS中,要稀奇注重三相对称状况及输出电压的直流组分的随意性。由于那关于装备自己的事情其实不是间接需要,但必需假定相连的负载对这些非常敏感,有可能没有任何前兆天随时发作。应用当代的程序控制和高精度的信息电子学掌握,能够做到没有任何题目。
  4 决意无变压器道理的其他元件
  逆变器的DC回路电压的增添借需求改动取DC回路相连的其他一些电路元件。
  4.1 电池衔接
  正在传统的变压器和SCR整流器UPS中,电池一般间接取DC回路衔接,凭据DC回路的电压决意电池的充电。当从一般事情状况背电池事情状况转变时,正在供电线路上不应当有任何转变。
  DC回路电压的增添能够用增添电池的数目去调解。特别正在下功率状况下,一般存在的是并联电池组,从并联背串连的转变常常会有一些消耗,如珍爱元件和电缆必需改动以合适新的电压要求,若是正电池组和背电池组需求离开,借得增添安装本钱。
  因为那一缘由,接纳对照适宜的电池数目是很有意义的,但是,那曾经是已往的事变。在这种情况下,需求运用DC-DC变换器去调解电池和逆变器DC回路之间的电压。这个DC变换器必需可以或许实行2个区的事情,许可电池充电和放电。
  4.2  整流器
  正在UPS一般事情时期,DC回路的供电*整流器发生,因而,整流器必需能为逆变器供应较下的DC直流电压,整流功用和电压调解功用能够离别实行,也能够同时实行。
  正在小功率无变压器UPS道理中,这些功用一般是离别实行的。一个简朴的不可控整流器发生DC电压,再经由过程升压变换器给逆变器供应DC回路电压。这类情势的整流器的长处是正在全部事情区皆具有下的功率身分,但是同时随同的是高达30%的输入电流的失真因子。
  用于中功率UPS的另一个观点是运用IGBT脉冲整流器(又称为自动调谐器),它也具有同等的功率身分,同时它的输入电流失真因子低于3%。
  用于电池衔接的新道理是上面所述的差别整流器的功用取DC变换器功用的优越联合,将IGBT整流器(功率身分同等、输入电流失真小于3%)的优秀特性取已往一般运用的电池数目调解法同时联合运用。
  如许,无变压器逆变器所必需的整流器和较下电压的DC回路的成本就能够限定正在节约了变压器的限度内。
  5 下功率UPS电源的其他主要特性
  现在,下功率UPS曾经被以为是一个装配的主要的、不可忽视的组成部分,凭据这个究竟,有必要对下功率UPS稀奇提出其他一些主要特性。
  比方,前些年,对l6A以下UPS的输入电流的谐波重量的限定值曾经作出了划定(尺度IEC61000-3-2),而直至如今用于16A以上电流的尺度IEC61000-3-4也没有对中、下功率的UPS及其体系停止标准化。
  但是,一个标准化输入电流的界说其实不是最重要的,更主要的是业已存在的关于网格中恣意一点的电压畸变的界说(EN50160)。并有必要根据界说肯定一个短路功率或是一个对消费者有益的网络(正弦)输入电流。见图8。
  下功率电源常常是馈电变压器的重要用户,因而他们的特性变得取网格的电压品格有关。具有正弦输入电流的网络友爱型UPS能够低落取传统UPS相干的上游局部装配的破费。
  另一个不可忽视的方面是正在突发事件发作,动力电生效的状况下,UPS常常要正在它的自立局限之外供电,因而对短路才能有着许多的限定,以致很大的注意力集中正在UPS输入的网络友爱性,以便正在没有大的馈电发生器的条件下得到可接受的电压畸变。
  再一个正在下功率运用中需求稀奇注重的主要特性是UPS的动力硬接入。起首意味着从电池事情背一般事情转变的开通转变要小。关于具有星散整流器和升压变换器的低功率UPS,整流器道理是独一可限制的身分。由于开通时期功率必需取自于电池或上游网格。
  另有一个需求稀奇存眷的状况是突变状况下的事情。一种是正在事情形式由电池背一般事情转变时,负载正在额定输出范围内的异常快的转变,这种情况险些是不允许发作的,它将致使瞬时的静态效应而损伤电源的平安。
  新的整流器道理应用对输入功率的转换速度停止限定,使得无论是正在以正弦波形一连事情时,照样正在事情形式发作转变的瞬态历程,关于馈电网络都是友爱的。