大功率UPS工頻機和高頻機

1 工頻機和高頻機的定義及原理分析

UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz,顧名思義叫工頻UPS。
典型的工頻UPS拓撲如圖1所示。

主路三相交流輸入經過換相電感接到由三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導通角來調節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統(tǒng)只能控制開通點,一旦SCR導通之后,即使門極驅動撤消,也無法關斷,只有等到其電流為零之后才能自然關斷,所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期,不存在高頻開通和關斷控制。

由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線電壓經逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低,要使輸出相電壓能夠達到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時,由于增加了隔離變壓器,系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離,明顯減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。

圖1 典型工頻UPS拓撲

同時,工頻機的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機典型母線電壓通常在300～500V之間,可直接掛接三十幾節(jié)電池,不需要另加電池充電器。

按整流器晶閘管數量的不同,工頻機通常分為6脈波和12脈波兩種類型。6脈波指以6個晶閘管組成的全橋整流,由于有6個開關脈沖對6個晶閘管分別控制,所以叫6脈波整流。6脈波整流拓撲如圖2所示。

圖2 典型6脈波拓撲

12脈波是指在原有6脈波整流的基礎上,在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈波整流器,使直流母線由12個晶閘管整流完成,因此又稱為12脈波整流。

圖3所示的兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同連接構成12相整流電路。

圖3 典型12脈波整流器示意圖

高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成,IGBT可以通過控制加在其門極的驅動來控制IGBT的開通與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在幾到幾十千赫之間,有時甚至高達上百千赫,相對于50Hz工頻, 稱之為高頻UPS。典型的高頻機拓撲如圖4所示。

圖4 高頻UPS拓撲圖

高頻UPS整流屬于升壓整流模式,其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線,所需要的標配電池節(jié)數達到67節(jié),這樣就給實際應用帶來很大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池變換器,在市電正常的時候,電池變換器把800V的母線電壓降壓到電池組電壓值;在市電故障或超限時,電池變換器則會把電池組電壓升壓到800V的母線電壓,從而實現電池的充放電管理。由于高頻機母線電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不需要升壓變壓器了,但是沒有隔離效果。