大功率无变压器UPS的新理论

　　l 引言

　　在UPS电源里，成本最高、最重的元件之一是输出变压器。由于用来束缚频率的变压器磁心材料的成本和重量减小的可能性很小，在过去20年电力电子的巨大进步中，在改变电路原理后，已经可以做到不需要输出变压器。用电力电子元件替代变压器，可以使UPS电源的制造变得更经济，未来的成本还会得到进一步优化。

　　几年以前，这一技术已经在较小功率、特别是在单相、lOKVA以下的UPS电源领域应用，在200kVA以下的中功率领域也得到了开发。而大功率领域的开发则刚刚起步。

　　这一新原理包含在称之为真在线UPS原理之中。利用这一原理，UPS电源可以依据EN62040标准的第三部分予以设计，并依据最大输出功率指标这一工作特性进行分类，属于VFl-SS-111类。对于中功率和大功率电源，本文的讨论焦点集中于三相，并不关心UPS的其他技术。

　　2 变压器的作用

　　在图l所示的无变压器电路原理中，过去由变压器所完成的各项功能现在必须由电路的其他元件和(或)适当的控制机制来完成。

　　变压器的最重要功能之一是使逆变器的输出电压适应设备的输出电压。传统的UPS原理配备了一个可控的或不可控的整流器，这就产生了直流回路电压，该电压总是小于上游平均电压的峰值，并在欠电压工作期间产生DC回路电压的最低值。如果电池照常与直流回路直接连接，那么，在充电电压和放电终了电压之间变化的电池电压将成为附加电压，已经计算出在一个400V的UPS电源里的这一电压大约是300V。如果一个三相逆变器在这样的直流回路电压下工作，那它形成的三相交流电源的线电压约为200V，将这一电压调整到下游400V电压的工作由输出变压器完成。

　　400V电压是绝大多数具有负载中线的四线制的电压，而一个三相三滞环逆变器产生的是无中线的三相电。通过输出变压器的DY或DZ矢量组的设计使生成由三滞环逆变器馈电的四线制成为可能。见图2。

　　由传统SCR和二极管整流器产生的DC回路电压还相对于一个恒定的DC回路电压(从正到负)进行振荡，该振荡与上游以每秒l50周的频率进行馈电的系统中线有关，这时，由逆变器产生的三相系统以及它的假想振荡中心不仅与上游中线有关，还与下游输出中线有关，因为输出中线通常是直接接地，或者是经由旁路接地，这一必要的振荡可能只是输出变压器电绝缘的作用。

　　UPS的输出电压由逆变器产生，这是输出电压的基础，还要用脉宽调制的方法，用几kHz的脉冲频率将它调制成方波信号。为了抑制脉冲频率并让波形规整，用电感和电容设计一个能够有效过滤二次谐波的过滤器是必不可少的。因为电感通常用变压器的漏电感，所以变压器就成了输出滤波器的单元之一。

　　由于输出变压器对三相的不平衡和直流组分极其敏感，因此必须给逆变器配以合适的电磁电流控制器，以避免电流中的直流组分。然而由于输出变压器的存在，自然就要对接在输出端的负载进行保护，以免受变压器的作用，因为变压器总是要通过饱和作用对逆变器的三相系统产生干扰。

　　3 变压器功能的实现

　　为了实现没有变压器的UPS，变压器的功能必须用电子元件和特别适合的控制原理来替代。见图4。

　　为了产生每秒50周的名义上的400V输出电压，电路类型和逆变器控制是实质问题。为了产生三相四线制输出的中线，输出滤波器的设汁，特别是对于非线性负载下的理想的动态存储，都必须在700V至800V的直流电压区间进行计算。这一电压必须是在所有的工作模式下都有效(一般工作、电池工作，还有在电池的最后放电电压下工作）。

　　无变压器UPS的一个特殊挑战是三相四线输出的可承载中线的产生。对于这一功能，无变压器UPS的逆变器与使用变压器、或者是驱动应用情况下使用变频器的UPS的逆变器具有相当大的区别。如今，对于这样的逆变器通常有2种电路解决方案。

　　一种解决方案是将逆变器的直流回路用2个开关串联做成。DC回路电容的中心与输出中线相连(见图5)，从而DC的电势被固定并与三相系统相关联。结果是DC回路电压必然处于下列范围：

　　这种中线产生方法是很经济的，因为DC回路总是存在着2个串联的开关电容。不利的是，由于直流回路间电位的高低不同而产生的三次谐波部分比较大，增加了电容负载，因此在设计DC回路电容时，必须以和单相负载一样的方法对待。

　　可供选择的另一个简单的解决方案是用第四个逆变滞环产生中线(见图6）。这种情况下的DC回路的直流电压比较小。

　　这一电路的价格相对比较贵，这是因为第四个逆变滞环必须设计成一个可用于非线性负载的电源，中线电流中的三次谐波不是加在零上，而是加到额定相电流的倍上面，作为中线的逆变滞环的设计必须比三相滞环的设计严格很多。

这里还解