第四代大功率UPS的技术：无变压器设计

1 无变压器UPS的技术发展史  

自从小功率UPS问世以来,无变压器UPS设计经历了20余年的发展。如今30kVA以下的UPS绝大多数都是无变压器的,这意味着UPS并不一定需要市电频率(工频)的磁性部件(变压器或电感)。这种无变压器设计的趋势在向着大功率段发展,因为工频磁性部件是原材料和劳动力密集型工业产品,而高频电力电子设备是技术密集型产品。一般来说,技术发展成熟时可以提高用户价值而不必以牺牲可靠性为代价。一旦实现,技术密集型的设计就成为首选的领先方案,开关电源和个人电脑的发展已经证明了这一点。  

对于30～200kVA的大功率UPS,目前多家厂商已经有无变压器设计的成熟产品。在过去十年间,大功率的绝缘栅型双极晶体管(IGBT)已经发展得非常成熟,在大功率段采用10kHz以上的频率变换而不会影响效率。另外,一些新的控制技术使得采用无变压器设计的UPS进一步降低了开关损耗,因而比传统UPS整体效率更高。功率范围200～1100kVA的UPS,最大的挑战是在高电压下快速通断大电流,而没有过多的损耗或过高的峰值电压。  


  
图1 传统UPS与无变压器UPS结构示意图  

2 传统UPS的设计原理  

传统UPS与无变压器设计UPS的基本结构如图1所示。传统UPS采用的晶闸管整流器,考虑到电网电压的波动范围,三相整流输出的直流电压(充电电压)一般为500Vdc以下。UPS电池组中的电池数一般为32～35只。当电池放电时,直流电压更低。再通过IGBT逆变器经过SPWM波形变换后,输出三相交流电压只有二百多V。所以需要输出变压器进行升压以达到输出380V交流电源。  


  
图2 UPS的典型输入特性  

为了提高效率和性价比,传统UPS一般采用6脉波晶闸管整流,这会产生很大的输入谐波电流并降低输入功率因数,这在许多场合是不可接受的,并且与一些发电机不兼容。要使谐波THDi低于5%～10%以及功率因数高于0.99,就需要很大的输入电感和谐波滤波器。采用这些元件将增加成本、重量和尺寸。另外,它们不能在较宽的负载范围内降低谐波和提高功率因数,它们通常在60%以上负载率时才有效,如图2所示。在负载率低于40%时,输入功率因数将变为超前,使得与发电机不兼容。输入功率因数还随市电电压变化,参数表只是标称值。  

为了提高输入指标,还可以采用12脉波整流器和输入滤波器。但这些将增加尺寸、重量和成本,并降低整体效率。在满载时输入指标可以达到THD0.95,但在半载或更低负载时输入指标将严重恶化。各种UPS在不同负载时的输入谐波含量如表1所示。  


  
对于输入谐波,其影响的严重程度取决于特殊的应用和现场环境。例如,一个10%失真的设备在低频时引起的电压失真比高频时要小。没有合适的输入滤波器,晶闸管(SCR)关断时产生的快速di/dt(电流尖峰)将引起严重的线路电压凹陷,进而影响电网上的邻近设备。  


  
图3 6脉波晶闸管整流器输入电流波形  

典型的6脉波晶闸管整流器的输入电流波形如图3所示(示波器实拍)。通过输入电感限制di/dt,输入谐波THD>30%。  

3 无变压器UPS的设计特点  

无变压器UPS设计的实现,是因为采用了IGBT整流器。由于采用了PWM控制技术,可以使整流器产生升压输出(Boost),不同的PWM控制方法将获得不同的输出直流电压。目前常用的控制算法有正弦波PWM和空间矢量PWM。适当的直流高压通过逆变器可以直接输出380V交流电压,而不再需要变压器升压。  


  
图4 无变压器UPS的典型输入特性  


  
图5 无变压器UPS典型输入和输出波形  

无变压器设计的IGBT整流器在10%～100%的负载范围内保持了高功率因数和低输入谐波,如图4所示。它与发电机高度兼容,从而避免了发电机选择的超容量要求。IGBT整流器的优秀输入特性在整个输入电压工作范围内都保持不变,如图5所示。  

无变压器设计的UPS中IGBT的开关频率越高,所使用的滤波器电感越小,响应时间越快,波形越好。目前IGBT的开关频率已经达到10kHz以上。  


  
图6 无变压器UPS电力传输电路  

图6所示为无变压器UPS的电力传输电路。无需输出变压器,通过新型的4桥臂逆变器而产生输出中线和三相电压。UPS在线工作时整流输入只需要三个相线,但旁路工作时中线必须连接。在传统的UPS结构中,通常用△/Y变压器来产生输出中线。  

4 无变压器UPS的电池管理特点  

可以使用半桥转换器使电池电压与直流母线电压独立,并适应更广的电池电压范围(例如192～240个单体)。此转换器还能使电池置于开路状态以避免长期浮充电压的直流脉动电流和加速老化(特别是在高温场合)。由于具有这一特点,ABM技术和其他充电技术被用来有效地延长电池寿命。ABM技术是多数大功率UPS所采用的电池充电设计。  


  
图7 传统UPS与无变压器UPS结构对比图8 无变压器UPS电感示意图  

IGBT整流器从电网吸取能量,输入功率因数PF>0.99,逆变器提供输出电流,可以支持90%额定容量的负载功率,同时给电池充电。当电网电压降低时,电池充电将暂停以保证负载输出。当电网电压恢复时,电池也恢复快速充电。  

在输入端采用较小的电感电容(LC)低通滤波器,即能滤除明显的di/dt变化而不会干扰电网电压,这与逆变器输出端的LC滤波器相同。  

5 传统UPS的元件和无变压器UPS的元件对比  

无变压器UPS可以取消的元件,如图7所示,称为传统UPS的“磁性套件”。它包括输出变压器、输入电感、DC母线电抗器、输出滤波器电感和输入谐波滤波器电感。它们不但十分沉重,而且体积巨大,和旁边的无变压器UPS的部件相比差别十分明显。  

无变压器UPS中的电感焊接在印刷电路板(PCB)上或者安装在铝质U形支架上,其体积、重量和成本都比原来小得多，使用铁氧体磁芯以及双层的线包绕组即可满足要求，散热也方便，如图8所示。  

6 结束语  

采用无变压器设计的UPS,虽然增加了逆变器的中线桥臂以及电池充放电转换器,但与减少的磁性元件相比,总体来说成本降低了,并且减少了UPS的体积和重量,其重量是传统UPS的50%或更低,占地面积为原来的60%,不需要后面和侧面接线维修。另外,IGBT整流器极大地提高了UPS的输入指标,在很宽的负载范围内保持指标不变,并且其整体效率达到94%以上。可以说,这种技术密集型的设计是目前最受欢迎的新一代UPS结构,是将来的发展趋势。