大中型UPS原理分析-大中型UPS逆變器
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時(shí)間：2011-12-05
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1 大中型UPS中的逆變控制技術(shù)
大、中型UPS逆變器控制電路，除采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)外，波形疊加技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，波形疊加技術(shù)有疊加式階梯波、離散型階梯波、脈寬階梯混合波等多種。這里對(duì)應(yīng)用較多的脈寬階梯混合波作一介紹。
這種逆變器是結(jié)合階梯波的高效率和脈寬調(diào)制的低價(jià)格而采取的一種折衷方案，由于混合式的逆變頻率較低，因而噪聲較大。它的體積略大于脈寬調(diào)制
圖1三相輸出混合波的情況
(a)電路圖（b）波形圖（變壓器初級(jí)）
(a)電路圖（b）波形圖（變壓器初級(jí)）
圖2三相橋式逆變電路
圖3三相橋式逆變電路主要波形
式而小于階梯式，多用于中大容量的UPS。脈寬階梯混合波的波形如圖所示。
圖（a)為電路原理圖，圖中S1,S2,S3,和S4分別組成半橋電路，兩個(gè)半橋產(chǎn)生相同的調(diào)寬波UA和UD，這里取輸出電壓，Uout=UA－UD
由圖（b）可以看出UA和UD均反映出正弦波的規(guī)律。
當(dāng)兩組脈沖同相時(shí)，Uout=UA－UD=0
當(dāng)兩組脈沖反相時(shí)，Uout=UA－UD=2E
當(dāng)UA和UD的相位差在0－180°之間變化時(shí),其幅度就在0－2E之間變化。如果輸出為單相交流電壓，有這樣一個(gè)“開(kāi)關(guān)對(duì)”[圖（a）的簡(jiǎn)稱(chēng)]似乎就夠了，但在中大功率UPS中多半需要三相輸出，在實(shí)用中每一個(gè)調(diào)寬波（UA或UD）都用一個(gè)全橋逆變器給出，而三相就需要6個(gè)這樣的全橋逆變器，如圖所示。圖（a）是它的電路圖，而（b）是線(xiàn)電壓（兩相電壓相差120°時(shí)的疊加)。
由圖（b）的波形可以看出：正弦波的輪廓很明顯，這種電壓經(jīng)變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時(shí)故意做成有一定的漏感，以便和變壓器輸出端的電容形成LC濾波器，從而省去了體積龐大的濾波電感，而且輸出的正弦波電壓失真度很?。ㄐ∮?％）。這是因?yàn)檩敵鲎儔浩鞒跫?jí)接成△型，次級(jí)接成Y型，這種經(jīng)△/Y變換的波形，3次及3的倍數(shù)次諧波都被抑制了，而5次和7次諧波為零，故不需要多大的濾波器即可。
2 大中型UPS逆變電路
三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路，這里以三相橋式逆變電路為例，如圖所示，它是由直流電源E，3塊兩單元晶體管模塊S1～S6，輸出變壓器T組成。市電正常供電時(shí)，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時(shí)，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級(jí)接成三角形，次級(jí)接成星型。
S1～S6的基極b1－b6分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號(hào)，其波形如圖4－9所示。工作過(guò)程如下：
t0～t1期間，ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1，S6，S5導(dǎo)通，S2，S3，S4截止。
?。?）變壓器初級(jí)電流iAB沿著E＋→S1→變壓器初級(jí)繞組AB→S6→E－路徑流動(dòng)。由于S1，S6導(dǎo)通，故變壓器初級(jí)繞組AB兩端電壓為：
當(dāng)兩組脈沖同相時(shí)，Uout=UA－UD=0
當(dāng)兩組脈沖反相時(shí)，Uout=UA－UD=2E
當(dāng)UA和UD的相位差在0－180°之間變化時(shí),其幅度就在0－2E之間變化。如果輸出為單相交流電壓，有這樣一個(gè)“開(kāi)關(guān)對(duì)”[圖（a）的簡(jiǎn)稱(chēng)]似乎就夠了，但在中大功率UPS中多半需要三相輸出，在實(shí)用中每一個(gè)調(diào)寬波（UA或UD）都用一個(gè)全橋逆變器給出，而三相就需要6個(gè)這樣的全橋逆變器，如圖所示。圖（a）是它的電路圖，而（b）是線(xiàn)電壓（兩相電壓相差120°時(shí)的疊加)。
由圖（b）的波形可以看出：正弦波的輪廓很明顯，這種電壓經(jīng)變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時(shí)故意做成有一定的漏感，以便和變壓器輸出端的電容形成LC濾波器，從而省去了體積龐大的濾波電感，而且輸出的正弦波電壓失真度很?。ㄐ∮?％）。這是因?yàn)檩敵鲎儔浩鞒跫?jí)接成△型，次級(jí)接成Y型，這種經(jīng)△/Y變換的波形，3次及3的倍數(shù)次諧波都被抑制了，而5次和7次諧波為零，故不需要多大的濾波器即可。
2 大中型UPS逆變電路
三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路，這里以三相橋式逆變電路為例，如圖所示，它是由直流電源E，3塊兩單元晶體管模塊S1～S6，輸出變壓器T組成。市電正常供電時(shí)，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時(shí)，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級(jí)接成三角形，次級(jí)接成星型。
S1～S6的基極b1－b6分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號(hào)，其波形如圖4－9所示。工作過(guò)程如下：
t0～t1期間，ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1，S6，S5導(dǎo)通，S2，S3，S4截止。
?。?）變壓器初級(jí)電流iAB沿著E＋→S1→變壓器初級(jí)繞組AB→S6→E－路徑流動(dòng)。由于S1，S6導(dǎo)通，故變壓器初級(jí)繞組AB兩端電壓為：
圖4梅蘭日蘭公司的EPS2000UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)控制框圖
電源能量轉(zhuǎn)移到變壓器，變壓器次級(jí)繞組ao感應(yīng)出電壓為：
該電壓推動(dòng)的電流iao沿著a→RL→L→0路徑流動(dòng)，變壓器中能量的一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分儲(chǔ)存在負(fù)載電感中。
（2）變壓器初級(jí)電流iCB沿著E＋→S5→變壓器初級(jí)繞組CB→S6→E－路徑流動(dòng)。由于S5，S6導(dǎo)通，變壓器初級(jí)繞組CB兩端電壓為：
電源能量轉(zhuǎn)移到變壓器，變壓器次級(jí)繞組bo感應(yīng)出電壓為：
該電壓推動(dòng)的電流ibo沿著0→L→RL→b路徑流動(dòng)，變壓器中能量的一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分儲(chǔ)存在負(fù)載電感中。由上述可見(jiàn)，3個(gè)導(dǎo)電臂中均有晶體管導(dǎo)通，二極管不通，負(fù)載從直流電源中獲取能量。
在t1～t2期間，ub1>0,ub3>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub6=0。由于S6截止，iao要減小，但是iao不能突變，仍沿著a→RL→L→0路徑流動(dòng)，負(fù)載電感中能量一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分存儲(chǔ)在變壓器中，電流iAB也不能突變，它沿著B(niǎo)→D3→S1→A路徑流動(dòng)，將變壓器能量消耗在回路電阻上。與上述類(lèi)似，由于S6截止，ibo要減小，但是ibo不能突變，仍沿著0→L→RL→b路徑流動(dòng)，因此，電流iCB也不能突變，它沿著B(niǎo)→D3→S5→C路徑流動(dòng)，將變壓器能量消耗在回路電阻上。在上述過(guò)程中，由于D3續(xù)流，S3不能導(dǎo)通。由上述可見(jiàn)，3個(gè)導(dǎo)電臂中，2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通。
若負(fù)載電感L比較大，變壓器儲(chǔ)存能量比較多，維持D3導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)；反之，維持D3導(dǎo)通時(shí)間短。
在t2～t3期間，ub1>0,ub5>0,ub6>0,ub2=0,ub3=0,ub4=0。3個(gè)導(dǎo)電臂中，3個(gè)晶體管導(dǎo)通。兩相負(fù)載均從電源E獲取能量。
輸出波形uAB如圖3所示。由圖看出：
①變壓器初級(jí)、次級(jí)輸出三組互差120°的正弦脈寬調(diào)制波。
②輸出uO脈沖頻率是驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖頻率的兩倍。
③逆變器具有3種工作模式：
第1種工作模式：3個(gè)晶體管導(dǎo)通，二極管不導(dǎo)通；
第2種工作模式：2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通；
第3種工作模式：1個(gè)晶體管導(dǎo)通，2個(gè)二極管導(dǎo)通。
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