廣義軟開(kāi)關(guān)串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS

令K′=代入上式則得

u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

由于市電電壓u與逆變器Ⅱ的輸出電壓u_ab1通過(guò)它們各自的濾波電感L_F1和L_F2，在電路的A點(diǎn)并聯(lián)后向負(fù)載供電如圖1所示，故根據(jù)電工學(xué)中節(jié)點(diǎn)電壓法可知

u_L=

u_L=/

如果取L_F1=L_F2，則負(fù)載電壓u_L為

u_L==

將u=U_1msinωt＋U_nmsinnωt與

u_ab1=2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt

代入上式得

u_L=(2U_msinωt－U_1msinωt－U_nmsinnωt＋U_1msinωt＋U_nmsinnωt)=U_msinωt=u_r

此式說(shuō)明，按著圖1中逆變器Ⅱ的控制方法，即使市電電壓中含有諧波，也可以使負(fù)載電壓u_L，成為等于基準(zhǔn)電壓u_r的不變的穩(wěn)定純凈正弦波電壓。

5 對(duì)市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償

由于負(fù)載電壓u_L在逆變器Ⅱ的控制下保持u_L=u_r穩(wěn)定不變，因而UPS的輸入與輸出端之間就會(huì)出現(xiàn)電壓差，這個(gè)電壓差反映的是有功功率之差，需要靠逆變器Ⅰ和Ⅱ的聯(lián)合工作，并通過(guò)逆變器Ⅰ進(jìn)行補(bǔ)償。逆變器Ⅰ有兩個(gè)反饋信號(hào)，一個(gè)是市電輸入電流，另一個(gè)是蓄電池電壓U_d的變化ΔU_d。由于ΔU_d是直流，故將其加到了控制電路的g上，g代表的是與市電電壓同相位的市電輸入有功電流。

市電電壓波動(dòng)的補(bǔ)償過(guò)程，與逆變器Ⅰ和Ⅱ的工作狀態(tài)如圖1所示。

當(dāng)市電電壓u大于負(fù)載電壓u_L時(shí)，由于u的升高使A點(diǎn)電壓上升，逆變器Ⅱ的控制電路為保持u_L=u_r不變，使輸出電壓u_ab1下降，迫使逆變器Ⅱ工作在整流狀態(tài)，給蓄電池充電，使u_d上升到U_dr＋ΔU_d>U_dr，＋ΔU_d使逆變器Ⅰ在T_r次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)補(bǔ)償電壓－u_c，方向與電流相反，以減少市電電壓的升高，使u－u_c=u_L=u_r。變壓器T_r次級(jí)阻抗Z產(chǎn)生的壓降為zi與u方向相反，－u_c也與u方向相反，故u加到T_r次級(jí)的壓降為Δu=zi＋u_c>u_c，使逆變器Ⅰ處于整流狀態(tài)。對(duì)于逆變器Ⅱ，由于補(bǔ)償后u_L=u_r(1＋1％)>u_r=u_ab1，故逆變器Ⅱ也處于整流狀態(tài)，使蓄電池電壓上升。當(dāng)u_d上升到某一值，使u_ab1大于u_L時(shí)，逆變器Ⅱ由整流變換到逆變狀態(tài)。此時(shí)，逆變器Ⅰ吸收功率，逆變器Ⅱ輸出功率，當(dāng)吸收功率等于輸出功率時(shí)達(dá)到平衡，使蓄電池多存儲(chǔ)了一些能量，U_d比補(bǔ)償前稍高一些，以維持負(fù)補(bǔ)償電壓－u_c的存在。

當(dāng)市電電壓小于負(fù)載電壓u_L時(shí)，A點(diǎn)電壓下降，逆變器Ⅱ的控制電路為保持u_L=u_r不變而使u_ab1上升，使u_Lu_ab1，迫使逆變器Ⅱ處于逆變狀態(tài)，電池電壓下降，當(dāng)降到U_dr－ΔU_d時(shí)，－ΔU_d使逆變器Ⅰ在T_r次級(jí)產(chǎn)生一個(gè)正補(bǔ)償電壓＋u_c，使u＋u_c=u_L=u_r。市電加到T_r次級(jí)上的電壓Δu=u_c－izu_c，使逆變器Ⅰ工作在逆變狀態(tài)。對(duì)于逆變器Ⅱ，補(bǔ)償后u_L=u_r(1－1％)u_r=u_ab1，逆變器Ⅱ處于逆變狀態(tài)，使蓄電池電壓下降，當(dāng)降到使u_ab1低于u_L時(shí)逆變器Ⅱ由逆變轉(zhuǎn)換到整流狀態(tài)。逆變器Ⅰ輸出功率，逆變器Ⅱ吸收功率，當(dāng)輸出與輸入功率相等時(shí)達(dá)到功率平衡。蓄電池多輸出了一些能量，故電池電壓比補(bǔ)償前低一些，以維持正補(bǔ)償電壓＋u_c的存在。

6 負(fù)載無(wú)功與諧波電流的供給

由圖1可知，逆變器Ⅱ在A點(diǎn)與市電并聯(lián)后共同向負(fù)載供電。由于市電輸入電流只是有功電流，根據(jù)基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流為零的定律，在節(jié)點(diǎn)A負(fù)載所需的電流i_L=i_p＋i_q＋i_h，因而逆變器Ⅱ的輸出電流為i_L－i=i_p＋i_q＋i_h－i_p=i_q＋i_h。

7 在線UPS所采用的廣義軟開(kāi)關(guān)

上面以單相串并聯(lián)補(bǔ)償在線USP為例，介紹了它的組成，各部分功能，原理與控制方式。下面介紹在線UPS中逆變器Ⅰ和Ⅱ的廣義軟開(kāi)關(guān)電路。

串并聯(lián)補(bǔ)償在線UPS中的逆變器Ⅰ和Ⅱ，實(shí)際普遍采用的電路是單相半橋、單相全橋、三相半橋和三相全橋電路。下面選用具有代表性的單相半橋、單相全橋或三相半橋電路為例進(jìn)行介紹。

7.1 單相半橋逆變器的廣義軟開(kāi)關(guān)電路

單相半橋逆變器的廣義軟開(kāi)關(guān)電路如圖2所示，其中圖2(a)為電路圖，圖2(b)為開(kāi)關(guān)波形圖。在圖2(a)中，S₁、S₂為主逆變開(kāi)關(guān)，S₁的無(wú)損關(guān)斷緩沖電路由二極管D_s1、D_s2、D_s3、緩沖電容C_s1、C_s2(C_s1=C_s2)和諧振電感L_s1組成。L_F為濾波電感，Z_為負(fù)載（阻性或感性），C_d1=C_d2為直流分壓電容，U_d為直流電源電壓，u_s為S₁兩端的電壓，i_s為流過(guò)S₁的電流。

(a) 電 路 圖

（b) 開(kāi) 關(guān)S₁的 開(kāi) 關(guān) 波 形

圖2 單 相 半 橋 逆 變 器 的 無(wú) 損 緩 沖 電 路

電路的原始狀態(tài)為：S₁、S₂關(guān)斷，C_s1、C_s2上電壓uc_s1=u_cs2=0。當(dāng)開(kāi)關(guān)S₁開(kāi)通后，C_d1上電壓U_d/2通過(guò)S₁、L_F向負(fù)載供電，直流電源U_d通過(guò)開(kāi)關(guān)S₁、諧振電感L_s1、二極管D_s2，沿著虛線所示路徑，對(duì)緩沖電容C_s1、C_s2充電。其等效電路如圖3(a)所示，其中u_cs1=u_cs2為緩沖電容C_s1、C_s2上的電壓，u_L為L_s1上電壓，R_L為L_s1中的電阻，i_L為流過(guò)L_s1的電流。在選定的電壓和電流方向下，根據(jù)基爾霍夫定律（考慮C_s1=C_s2）可得

u_L＋u_RL＋u_cs1＋u_cs2=u_L＋u_RL＋2u_cs1=U_d

由于i_L==

u_RL=i_LR_L=R_L

u_L=L_s1=L_s1

則

L_s1＋R_L＋2u_cs1=U_d

由于R_L2，所以電路是諧振的。

對(duì)上式求解可得

2u_cs1=U_d－U_de^－δt((δ/ω)sinωt＋cosω t)

式中：δ=；ω=；ω₀=。

當(dāng)ω t=π時(shí)，sinωt=0；cosωt=－1

則2u_cs1=U_d＋U_de^－δt

當(dāng)R_L=0時(shí)，2u_cs1=2U_d，u_cs1=U_d。

充電過(guò)程中，u_cs1和i_L的波形如圖3(c)所示。當(dāng)ω t=π時(shí)，u_cs1=U_d，i_L=0。

當(dāng)S₁關(guān)斷時(shí)，由于C_s1、C_s2上電壓u_cs1=u_cs2=U_d，開(kāi)關(guān)S₁上電壓u_s=U_d－u_cs1=0，所以S₁是零電壓關(guān)斷。S₁關(guān)斷后，C_s1、C_s2上電壓u_cs1=u_cs2=U_d通過(guò)濾波電感L_F、負(fù)載Z_L和直流分壓電容C_dz，沿著圖2(a)中點(diǎn)劃線所示的路徑放電，其等效電路如圖3(b)所示。由基爾霍夫定律得

－u_cs1＋u_L＋u_R－U_d/2=0

設(shè)R為負(fù)載電阻，L_FZ為濾波與負(fù)載電感，由于i_z=－2C_s1；u_R=Ri_z=－2RC_s1

u_L=L_FZ=－2L_FZC_s1

代入上式得

2L_FZC_s1＋2RC_s1＋u_cs1－U_d/2=0

對(duì)于多數(shù)情況R2，所以電路是諧振的。

求解上式可得u_cs1－U_d/2=e^－δ′t(sinωt＋cosω t)

式中：δ′=；ω=；ω₀=。

當(dāng)ω t=π時(shí)，sinωt=0；cosωt=－1

則u_cs1－U_d/2=－e^－δ′t

當(dāng)R=0時(shí)，u_cs1－U_d/2=－U_d/2，u_cs1=0

放電過(guò)程中u_cs1和i_z的波形如圖3(c)所示。

(a) 充 電 過(guò) 程 (b) 放 電 過(guò) 程