基于Delta逆變技術(shù)的UPS應(yīng)用

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)一種全新的UPS（不間斷電源）拓?fù)洹狣elta 變換型UPS。這種UPS 由兩個(gè)變換器構(gòu)成，既保留了傳統(tǒng)在線式UPS 的全部在線功能和高質(zhì)量輸出電壓，又使得很多關(guān)鍵性能指標(biāo)得到改善，它不僅消除了對(duì)電網(wǎng)的污染，更重要的是輸出能力高、可靠性強(qiáng)，可以說是目前比較理想的UPS 系統(tǒng)^[1]。

基于Delta 逆變技術(shù)的典型產(chǎn)品是APC 公司的Silcon 系列UPS，Delta 逆變技術(shù)保持了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS 的全部高性能輸出指標(biāo)的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)適應(yīng)能力和輸出能力兩個(gè)方面有了重大改進(jìn)和突破，真正實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)換時(shí)間和高輸入功率因數(shù)，大大降低了對(duì)電網(wǎng)的污染程度^[2]。電路結(jié)構(gòu)采用串并聯(lián)的高頻雙向變換技術(shù)^[3]。雖然傳統(tǒng)在線式的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但由于本身帶有許多無法突破的問題，發(fā)展受限^[4]。高頻化概念的引入，給UPS 的發(fā)展帶來了許多新的思路和空間，隨著高頻技術(shù)和器件的發(fā)展，3 kVA（千伏安）及以下的高頻率在線式UPS 的技術(shù)和產(chǎn)品己經(jīng)成熟，其功能和可靠性均高于傳統(tǒng)UPS，高頻率對(duì)于減小體積、降低成本，以及對(duì)非線性負(fù)載有更好的響應(yīng)上起著重要的作用^[5]。

雖然Delta 變換式UPS 具有輸入頻率不可變，抑制浪涌的性能比較差等缺點(diǎn)，但是和雙變換式UPS 相比，還是體現(xiàn)了自身的一些特色：Delta 變換器相當(dāng)于一個(gè)DVR（串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器），不但可以補(bǔ)償市電和負(fù)載的電壓差值，還可以對(duì)市電電壓的諧波、閃變、三相不對(duì)稱等進(jìn)行補(bǔ)償，甚至還能對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正。APC 公司Silcon 系列UPS 采用Delta 變換器，具有料耗省，效率高等優(yōu)點(diǎn)，其在性價(jià)比上極具優(yōu)勢(shì)。

1   UPS工作原理

在分析該UPS 的工作原理之前，必須先了解一種帶串聯(lián)電壓補(bǔ)償器的在線互動(dòng)式UPS，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶串聯(lián)電壓補(bǔ)償器的在線互動(dòng)式UPS

變壓器T1 從變壓器T2 上取電壓，經(jīng)過隔離后補(bǔ)償Vin，通過觸點(diǎn)S 的移動(dòng)來調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓的大小和正負(fù)，從而穩(wěn)定Vout。該UPS 主要對(duì)Vin 的過壓和欠壓進(jìn)行補(bǔ)償，由于電流處于不可控狀態(tài)，所以此UPS 沒有諧波的抑制能力，沒有很好的過載保護(hù)功能，當(dāng)然也無法對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正，加上Vout 的調(diào)整是依靠機(jī)械觸點(diǎn)來完成的，所以輸出電壓的精度也很差。為了解決以上問題，采用電流可控的Delta 變換器，成功地克服了上述缺點(diǎn)，并利用了這種在線式UPS 效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，其主電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 UPS的主電路結(jié)構(gòu)組成圖

為了方便控制，不需要把Vout 和Vin 的差值作為主要的控制對(duì)象，而是用主逆變器直接產(chǎn)生輸出電壓Vout，Delta 變換器被動(dòng)補(bǔ)償Vout 和Vin 的差值，控制輸入電流，起抑制諧波和校正功率因數(shù)的作用。為對(duì)付不對(duì)稱的負(fù)載，采用三相獨(dú)立控制的策略。

1.1 UPS的系統(tǒng)組成

從主電路可知，UPS 由主路和旁路兩個(gè)靜態(tài)開關(guān)、共用直流母線的Delta 逆變器和主逆變器、串聯(lián)的Delta變壓器組成。主路上的靜態(tài)開關(guān)STS1 控制開機(jī)時(shí)的電容充電、輸入掉電時(shí)的保護(hù)、主路和旁路的切換，以及轉(zhuǎn)電池的工作過程。兩個(gè)逆變器的作用如下所述。

主逆變器的作用：

①在Vin 頻率和電壓允許波動(dòng)的范圍內(nèi)，提供相位和頻率與Vin 相同的輸出電壓Vout；

②作為一個(gè)電壓源，具有很小的內(nèi)阻抗，在Delta變換器的作用下，可以被動(dòng)地補(bǔ)償諧波電流；

③在Vin < Vout 和Vin = Vout 情況下提供給電池充電的電流；

④在過載情況下提供部分負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合供電模式；

⑤在電池工作模式下，提供輸出電壓和電流。

Delta 逆變器的作用：

①控制輸入電流，實(shí)現(xiàn)電池充電、輸出負(fù)載電流和主逆變器補(bǔ)償電流之間的平衡；

②控制輸入功率因數(shù)為1；

③作為一個(gè)電流源，具有很大的阻抗，主逆變器穩(wěn)壓的作用下，可以被動(dòng)地補(bǔ)償諧波電壓和輸入波動(dòng)造成的電壓差；

④輸入過壓時(shí)，通過Delta 變換器給電池充電，如果電池是滿的，則多余的能量通過主逆變器供給負(fù)載；

⑤輸入欠壓時(shí)，加大逆變器的輸出電流，讓主逆變器從回路中吸收多余的能量供給電池，并傳遞給delta變換器。

1.2 實(shí)現(xiàn)輸入電壓補(bǔ)償、功率因數(shù)校正和諧波抑制的Delta變換器

我們先看一下一般變壓器的工作過程，如圖3 所示。

圖3 變壓器工作圖

如果變壓器二次側(cè)Load1 為純電阻負(fù)載，則Vin 和I1、I2 同相位，Vin 的輸出功率因數(shù)為1，能量從Vin 向Load1 傳遞；如果變壓器二次側(cè)為Power，一次側(cè)為電阻負(fù)載Load2，則I2 和I1 一樣同相位，能量從Power向Load2 傳遞，Power 的輸出功率因數(shù)仍然為1。

上述變壓器的兩種工況對(duì)應(yīng)于Delta 變換器工作時(shí)的Vin>Vout 和Vin<Vout 兩種情況，不同的地方是圖3 中的Load1 和Power 都是Delta 逆變器，而圖3 中的Vin 則是圖2 中的Vin － Vout。Delta 逆變器的任務(wù)是產(chǎn)生與圖3 中Vin 同相位的電流I2，由于Vin 和Vout 也同相位，所以I1 和Vin － Vout、Vin 都是同相位的，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。圖4 是DP310E 在一個(gè)工況下的工作波形。a 圖中CH1 為Delta 變壓器一次側(cè)流經(jīng)的電流I1，CH2 為Delta 變壓器二次側(cè)流經(jīng)的電流I2，CH3 為輸出電壓Vout，CH4 為Delta 變壓器一次側(cè)兩端的電壓；b 圖中CH1 為主逆變器輸出電流，CH2 為UPS 輸出電流Iout，CH3 為輸出電壓，CH4 為CH1 －CH2 的波形（即輸入電流波形）。由于測(cè)試的時(shí)候，I1和I2 是按同名端的輸入來測(cè)的，所以相位是相反的。圖b 說明主逆變器為一個(gè)很好的并聯(lián)型有源濾波器，提供無功和諧波電流，這個(gè)電流和Iout 組成波形為正弦，相位和Vin 一致的Iin，完成功率因數(shù)校正的功能。

(a)

(b)

圖4 V_in＝190 V，48 Hz，帶70％對(duì)稱整流濾波負(fù)載下的工作波形圖

很明顯，I2 和I1 的比例就是變壓器的變比，由于Delta 變壓器在主電路中只承擔(dān)最大15% 的額定電壓（取Vout），所以選二次側(cè)為升壓的設(shè)計(jì)，這樣可以取較小的I2，選擇電流較小的功率模塊節(jié)約成本。UPS 的Delta 變壓器變比為1:5，逆變器的功率模塊是MG15Q6ES42（15 A/1200 V）。從Vout 為交流220 V可以推算出Delta 變壓器的參數(shù)： 一次側(cè)額定電壓33 V，二次側(cè)額定電壓165 V，容量為500 VA，鐵心材料為硅鋼片。

諧波的抑制：對(duì)一個(gè)變壓器而言，要使其輸入消耗的電流最小，只有一種辦法：空載。所以在Vin 存在諧波含量的時(shí)候，Delta 逆變器仍然只輸出基波電流，由于諧波電壓沒有諧波電流的消耗，Delta 變壓器一次側(cè)的諧波電壓相當(dāng)于遇到空載勵(lì)磁阻抗，諧波電流很小。

1.3 工作過程（能量流分析）

開機(jī)過程由以下幾步完成。

①靜態(tài)開關(guān)STS1 的軟啟動(dòng)：逐漸增大其導(dǎo)通角，主路通過Delta 變壓器T 的一次側(cè)和主逆變器的輸出濾波電感L，以及主逆變器中的續(xù)流二極管對(duì)電容器C 進(jìn)行充電，直到STS1 完全開通，電容器電壓升至±311 V，這個(gè)過程Delta 逆變器和主逆變器均未工作。

②主逆變器的高頻整流繼續(xù)給電容器充電：這個(gè)過程是為了滿足64 節(jié)蓄電池所需的±360 V的電壓要求。

③電容器電壓升到±360 V 時(shí)，系統(tǒng)通知電池開關(guān)合閘，開始進(jìn)入一分鐘的等待，這時(shí)主逆變器繼續(xù)整流充電，充電結(jié)束時(shí)的直流母線電壓與Vin 有關(guān)，最大不超過設(shè)定的438 V。

④一分鐘的等待結(jié)束后，系統(tǒng)顯示system off，提示機(jī)器可以啟動(dòng)，這時(shí)STS1 關(guān)斷，如果不按下啟動(dòng)按鈕，則電容器上的電荷會(huì)通過并聯(lián)的電阻逐漸消耗，最終出現(xiàn)Low DC Shutdown。（為什么要這么做）

⑤啟動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕，電池開始建立Vout（在Vout 建立之前，STS1 和Delta 逆變器仍然是關(guān)斷的）。Vout 建立起來后，STS1 和Delta 逆變器開啟，結(jié)束開機(jī)。

在無電池情況下，下列工況會(huì)造成開機(jī)失敗。

① Vin < 200 V。這是因?yàn)樵?em>Vin < Vout 條件下開機(jī)時(shí)，Delta 變換器需要從二次側(cè)向一次側(cè)傳輸能量，這個(gè)能量只能由電容器提供，而這時(shí)電容器已經(jīng)給主逆變器提供能量，造成電容器電壓嚴(yán)重下降，出現(xiàn)Low DC Warning 和Low DC Shutdown 關(guān)機(jī)。

②加了負(fù)載。在STS1 和delta 逆變器開啟之前，電容器的能量無法穩(wěn)定住Vout，致使直流母線嚴(yán)重下降，出現(xiàn)Low DC Warning 和Low DC Shutdown 關(guān)機(jī)。

從前面的分析可知Delta 變壓器具有能量在兩側(cè)雙向流動(dòng)的功能，I2 永遠(yuǎn)與Vin 同相位，如圖5 所示。Delta 變換器的運(yùn)行分四種工況。

圖5 delta變換器工作框圖

Vin > Vout：能量從Delta 變壓器一次側(cè)向二次側(cè)傳輸，Delta 逆變器相當(dāng)于一個(gè)純電阻負(fù)載，這個(gè)負(fù)載消耗的能量是給電池充電或者給主逆變器輸出，能量流如圖6 所示。

圖6 Vin > Vout時(shí)，DP310E的能量流(電池不充電)

Vin < Vout：能量從Delta 變壓器二次側(cè)向一次側(cè)傳輸，Delta 逆變器相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)，提供最大15％的補(bǔ)償能量，由于Iin、Vin 與Vout 嚴(yán)格同相位，所以此發(fā)電機(jī)相當(dāng)于帶一個(gè)電阻負(fù)載，Delta 逆變器的輸出電流也必然是正弦基波，能量流如圖7 所示。

圖7 Vin < Vout時(shí)，UPS的能量流(電池不充電)

從圖6 和圖7 可以看出，Delta 變換器是用15％的能量控制100％的能量流動(dòng)。

Vin = Vout ：Delta 變壓器兩側(cè)電壓為零，電流是基波，有效值由負(fù)載電流和電池充電電流決定，Delta 變壓器兩側(cè)呈現(xiàn)很低的漏阻抗，能量流如圖8 所示。

圖8 Vin＝Vout時(shí)，UPS的能量流(電池充電)

Vin中存在諧波的情況：I2 中無諧波電流通過，具體的細(xì)節(jié)還未測(cè)試。

圖9 ～圖11 列出Vout = 220 V，f = 54 Hz，60% 對(duì)稱阻性負(fù)載，Vin 從大到小變化時(shí)，Delta 變換器的電流電壓波形。

圖9 Vin＝237 V波形圖

圖10 Vin＝190 V波形圖

其中CH1、CH2 為Delta 變壓器一次側(cè)電流Iin、二次側(cè)電流I2 波形，CH4 為Delta 變壓器一次側(cè)電壓Vin － Vout。

圖11 Vin＝220 V時(shí)，Iin、I2、Vin－Vout波形圖

從圖11 可以看出，Iin、I2 隨Vin 的增大而減小，因Iin還控制著輸出電流和電池充電的平衡，所以Delta逆變器的輸出電流I2 的受控量為：Vin － Vout、Iout 和電池電壓Vdc。

2   結(jié)論

在UPS 工作中，Delta 逆變器都必須提供與Iin 相對(duì)應(yīng)的基波電流I2，否則在主逆變器的作用下，Delta變壓器表現(xiàn)不了所需要的電流源性質(zhì)，而使能量流發(fā)生變化。如果通過I2 控制的Iin 有效值小于Iout 有效值，必使得主逆變器輸出電流加大，這種工況適合于Vin > Vout，或者過載時(shí)電池和Vin 聯(lián)合供電的方式；如果I2 控制的Iin 有效值大于Vout 有效值，則必有Vin < Vout，或者Vin = Vout 時(shí)電池充電。由于Delta 變壓器一次側(cè)的額定電壓是33 V，所以在Vin 出現(xiàn)短路的情況下，STS1 必須盡快關(guān)斷，才能穩(wěn)定Vout。

參考文獻(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）