無變壓器的大功率UPS設計

　　自從小功率UPS問世以來，無變壓器UPS設計經歷了20余年的發(fā)展。如今30kVA以下的UPS絕大多數都是無變壓器的，這意味著UPS并不一定需要市電頻率（工頻）的磁性部件（變壓器或電感）。這種無變壓器設計的趨勢在向著大功率段發(fā)展，因為工頻磁性部件是原材料和勞動力密集型工業(yè)產品，而高頻電力電子設備是技術密集型產品。

　　一般來說，技術發(fā)展成熟時可以提高用戶價值而不必以犧牲可靠性為代價。一旦實現(xiàn)，技術密集型的設計就成為首選的領先方案，開關電源和個人電腦的發(fā)展已經證明了這一點。

　　對于30～200kVA的大功率UPS，目前多家廠商已經有無變壓器設計的成熟產品。在過去十年間，大功率的絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）已經發(fā)展得非常成熟，在大功率段采用10kHz以上的頻率變換而不會影響效率。

　　另外，一些新的控制技術使得采用無變壓器設計的UPS進一步降低了開關損耗，因而比傳統(tǒng)UPS整體效率更高。功率范圍200～1100kVA的UPS，最大的挑戰(zhàn)是在高電壓下快速通斷大電流，而沒有過多的損耗或過高的峰值電壓。

圖1傳統(tǒng)UPS與無變壓器UPS結構示意圖

　　傳統(tǒng)UPS的設計原理

　　傳統(tǒng)UPS與無變壓器設計UPS的基本結構如圖1所示。傳統(tǒng)UPS采用的晶閘管整流器，考慮到電網電壓的波動范圍，三相整流輸出的直流電壓（充電電壓）一般為500Vdc以下。UPS電池組中的電池數一般為32～35只。當電池放電時，直流電壓更低。再通過IGBT逆變器經過SPWM波形變換后，輸出三相交流電壓只有二百多V。所以需要輸出變壓器進行升壓以達到輸出380V交流電源。

圖2UPS的典型輸入特性

　　為了提高效率和性價比，傳統(tǒng)UPS一般采用6脈波晶閘管整流，這會產生很大的輸入諧波電流并降低輸入功率因數，這在許多場合是不可接受的，并且與一些發(fā)電機不兼容。要使諧波THDi低于5%～10%以及功率因數高于0.99，就需要很大的輸入電感和諧波濾波器。采用這些元件將增加成本、重量和尺寸。

　　另外，不能在較寬的負載范圍內降低諧波和提高功率因數，它們通常在60%以上負載率時才有效，如圖2所示。在負載率低于40%時，輸入功率因數將變?yōu)槌?，使得與發(fā)電機不兼容。輸入功率因數還隨市電電壓變化，參數表只是標稱值。　　為了提高輸入指標，還可以采用12脈波整流器和輸入濾波器。但這些將增加尺寸、重量和成本，并降低整體效率。在滿載時輸入指標可以達到THD<5%，PF>0.95，但在半載或更低負載時輸入指標將嚴重惡化。各種UPS在不同負載時的輸入諧波含量如表1所示。

　　對于輸入諧波，其影響的嚴重程度取決于特殊的應用和現(xiàn)場環(huán)境。例如，一個10%失真的設備在低頻時引起的電壓失真比高頻時要小。沒有合適的輸入濾波器，晶閘管（SCR）關斷時產生的快速di/dt（電流尖峰）將引起嚴重的線路電壓凹陷，進而影響電網上的鄰近設備。

圖3 6脈波晶閘管整流器輸入電流波形

　　典型的6脈波晶閘管整流器的輸入電流波形如圖3所示（示波器實拍）。通過輸入電感限制di/dt，輸入諧波THD>30%。

　　無變壓器UPS的設計特點

　　無變壓器UPS設計的實現(xiàn)，是因為采用了IGBT整流器。由于采用了PWM控制技術，可以使整流器產生升壓輸出（Boost），不同的PWM控制方法將獲得不同的輸出直流電壓。目前常用的控制算法有正弦波PWM和空間矢量PWM。適當的直流高壓通過逆變器可以直接輸出380V交流電壓，而不再需要變壓器升壓。

圖4無變壓器UPS的典型輸入特性

　　無變壓器設計的IGBT整流器在10%～100%的負載范圍內保持了高功率因數和低輸入諧波，如圖4所示。它與發(fā)電機高度兼容，從而避免了發(fā)電機選擇的超容量要求。IGBT整流器的優(yōu)秀輸入特性在整個輸入電壓工作范圍內都保持不變，如圖5所示。

圖5無變壓器UPS典型輸入和輸出波形

　　無變壓器設計的UPS中IGBT的開關頻率越高，所使用的濾波器電感越小，響應時間越快，波形越好。目前IGBT的開關頻率已經達到10kHz以上。

圖6無變壓器UPS電力傳輸電路

　　圖6所示為無變壓器UPS的電力傳輸電路。無需輸出變壓器，通過新型的4橋臂逆變器而產生輸出中線和三相電壓。UPS在線工作時整流輸入只需要三個相線，但旁路工作時中線必須連接。在傳統(tǒng)的UPS結構中，通常用△/Y變壓器來產生輸出中線。

　　無變壓器UPS的電池管理特點

　　可以使用半橋轉換器使電池電壓與直流母線電壓獨立，并適應更廣的電池電壓范圍（例如192～240個單體）。此轉換器還能使電池置于開路狀態(tài)以避免長期浮充電壓的直流脈動電流和加速老化（特別是在高溫場合）。由于具有這一特點，ABM技術和其他充電技術被用來有效地延長電池壽命。ABM技術是多數大功率UPS所采用的電池充電設計。

圖7傳統(tǒng)UPS與無變壓器UPS結構對比圖

　　IGBT整流器從電網吸取能量，輸入功率因數PF>0.99，逆變器提供輸出電流，可以支持90%額定容量的負載功率，同時給電池充電。當電網電壓降低時，電池充電將暫停以保證負載輸出。當電網電壓恢復時，電池也恢復快速充電。

　　在輸入端采用較小的電感電容（LC）低通濾波器，即能濾除明顯的di/dt變化而不會干擾電網電壓，這與逆變器輸出端的LC濾波器相同。

　　傳統(tǒng)UPS的元件和無變壓器UPS的元件對比

　　無變壓器UPS可以取消的元件，如圖7所示，稱為傳統(tǒng)UPS的“磁性套件”。它包括輸出變壓器、輸入電感、DC母線電抗器、輸出濾波器電感和輸入諧波濾波器電感。它們不但十分沉重，而且體積巨大，和旁邊的無變壓器UPS的部件相比差別十分明顯。

　　無變壓器UPS中的電感焊接在印刷電路板（PCB）上或者安裝在鋁質U形支架上，其體積、重量和成本都比原來小得多，使用鐵氧體磁芯以及雙層的線包繞組即可滿足要求，散熱也方便，如圖8所示。

圖8無變壓器UPS電感示意圖

　　采用無變壓器設計的UPS，雖然增加了逆變器的中線橋臂以及電池充放電轉換器，但與減少的磁性元件相比，總體來說成本降低了，并且減少了UPS的體積和重量，其重量是傳統(tǒng)UPS的50%或更低，占地面積為原來的60%，不需要后面和側面接線維修。另外，IGBT整流器極大地提高了UPS的輸入指標，在很寬的負載范圍內保持指標不變，并且其整體效率達到94%以上。可以說，這種技術密集型的設計是目前最受歡迎的新一代UPS結構，是將來的發(fā)展趨勢。