大中型UPS原理分析-大中型UPS逆變器
摘要: 大、中型UPS逆變器控制電路,,除采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)外,,波形疊加技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用,波形疊加技術(shù)有疊加式階梯波,、離散型階梯波、脈寬階梯混合波等多種,。這里對應(yīng)用較多的脈寬階梯混合波作一介紹,。
Abstract:
Key words :
1 大中型UPS中的逆變控制技術(shù)
大、中型UPS逆變器控制電路,,除采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)外,,波形疊加技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用,波形疊加技術(shù)有疊加式階梯波,、離散型階梯波,、脈寬階梯混合波等多種。這里對應(yīng)用較多的脈寬階梯混合波作一介紹,。
這種逆變器是結(jié)合階梯波的高效率和脈寬調(diào)制的低價格而采取的一種折衷方案,,由于混合式的逆變頻率較低,,因而噪聲較大。它的體積略大于脈寬調(diào)制
圖1三相輸出混合波的情況
(a)電路圖(b)波形圖(變壓器初級)
(a)電路圖(b)波形圖(變壓器初級)

圖2三相橋式逆變電路

圖3三相橋式逆變電路主要波形
式而小于階梯式,,多用于中大容量的UPS,。脈寬階梯混合波的波形如圖所示。
圖(a)為電路原理圖,,圖中S1,S2,S3,和S4分別組成半橋電路,,兩個半橋產(chǎn)生相同的調(diào)寬波UA和UD,這里取輸出電壓,,Uout=UA-UD
由圖(b)可以看出UA和UD均反映出正弦波的規(guī)律,。
當(dāng)兩組脈沖同相時,Uout=UA-UD=0
當(dāng)兩組脈沖反相時,,Uout=UA-UD=2E
當(dāng)UA和UD的相位差在0-180°之間變化時,其幅度就在0-2E之間變化,。如果輸出為單相交流電壓,有這樣一個“開關(guān)對”[圖(a)的簡稱]似乎就夠了,,但在中大功率UPS中多半需要三相輸出,,在實用中每一個調(diào)寬波(UA或UD)都用一個全橋逆變器給出,而三相就需要6個這樣的全橋逆變器,,如圖所示,。圖(a)是它的電路圖,而(b)是線電壓(兩相電壓相差120°時的疊加),。
由圖(b)的波形可以看出:正弦波的輪廓很明顯,,這種電壓經(jīng)變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時故意做成有一定的漏感,,以便和變壓器輸出端的電容形成LC濾波器,,從而省去了體積龐大的濾波電感,而且輸出的正弦波電壓失真度很?。ㄐ∮?%),。這是因為輸出變壓器初級接成△型,次級接成Y型,,這種經(jīng)△/Y變換的波形,,3次及3的倍數(shù)次諧波都被抑制了,而5次和7次諧波為零,,故不需要多大的濾波器即可,。
2 大中型UPS逆變電路
三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路,,這里以三相橋式逆變電路為例,如圖所示,,它是由直流電源E,,3塊兩單元晶體管模塊S1~S6,,輸出變壓器T組成。市電正常供電時,,直流電源E由整流電路提供,,市電中斷時,直流電源由蓄電池提供,。輸出變壓器初級接成三角形,,次級接成星型。
S1~S6的基極b1-b6分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號,,其波形如圖4-9所示,。工作過程如下:
t0~t1期間,ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1,,S6,,S5導(dǎo)通,S2,,S3,,S4截止。
?。?)變壓器初級電流iAB沿著E+→S1→變壓器初級繞組AB→S6→E-路徑流動,。由于S1,S6導(dǎo)通,,故變壓器初級繞組AB兩端電壓為:
當(dāng)兩組脈沖同相時,Uout=UA-UD=0
當(dāng)兩組脈沖反相時,,Uout=UA-UD=2E
當(dāng)UA和UD的相位差在0-180°之間變化時,其幅度就在0-2E之間變化,。如果輸出為單相交流電壓,有這樣一個“開關(guān)對”[圖(a)的簡稱]似乎就夠了,,但在中大功率UPS中多半需要三相輸出,,在實用中每一個調(diào)寬波(UA或UD)都用一個全橋逆變器給出,而三相就需要6個這樣的全橋逆變器,,如圖所示,。圖(a)是它的電路圖,而(b)是線電壓(兩相電壓相差120°時的疊加),。
由圖(b)的波形可以看出:正弦波的輪廓很明顯,,這種電壓經(jīng)變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時故意做成有一定的漏感,,以便和變壓器輸出端的電容形成LC濾波器,,從而省去了體積龐大的濾波電感,而且輸出的正弦波電壓失真度很?。ㄐ∮?%),。這是因為輸出變壓器初級接成△型,次級接成Y型,,這種經(jīng)△/Y變換的波形,,3次及3的倍數(shù)次諧波都被抑制了,而5次和7次諧波為零,,故不需要多大的濾波器即可,。
2 大中型UPS逆變電路
三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路,,這里以三相橋式逆變電路為例,如圖所示,,它是由直流電源E,,3塊兩單元晶體管模塊S1~S6,,輸出變壓器T組成。市電正常供電時,,直流電源E由整流電路提供,,市電中斷時,直流電源由蓄電池提供,。輸出變壓器初級接成三角形,,次級接成星型。
S1~S6的基極b1-b6分別加上正弦脈寬觸發(fā)信號,,其波形如圖4-9所示,。工作過程如下:
t0~t1期間,ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1,,S6,,S5導(dǎo)通,S2,,S3,,S4截止。
?。?)變壓器初級電流iAB沿著E+→S1→變壓器初級繞組AB→S6→E-路徑流動,。由于S1,S6導(dǎo)通,,故變壓器初級繞組AB兩端電壓為:


圖4梅蘭日蘭公司的EPS2000UPS的靜態(tài)開關(guān)控制框圖
電源能量轉(zhuǎn)移到變壓器,,變壓器次級繞組ao感應(yīng)出電壓為:

該電壓推動的電流iao沿著a→RL→L→0路徑流動,變壓器中能量的一部分消耗在負(fù)載電阻上,,另一部分儲存在負(fù)載電感中,。
(2)變壓器初級電流iCB沿著E+→S5→變壓器初級繞組CB→S6→E-路徑流動。由于S5,,S6導(dǎo)通,,變壓器初級繞組CB兩端電壓為:


由上述可見,,3個導(dǎo)電臂中均有晶體管導(dǎo)通,,二極管不通,負(fù)載從直流電源中獲取能量,。
在t1~t2期間,,ub1>0,ub3>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub6=0。由于S6截止,iao要減小,,但是iao不能突變,,仍沿著a→RL→L→0路徑流動,負(fù)載電感中能量一部分消耗在負(fù)載電阻上,,另一部分存儲在變壓器中,,電流iAB也不能突變,它沿著B→D3→S1→A路徑流動,,將變壓器能量消耗在回路電阻上,。與上述類似,由于S6截止,,ibo要減小,,但是ibo不能突變,仍沿著0→L→RL→b路徑流動,,因此,,電流iCB也不能突變,它沿著B→D3→S5→C路徑流動,,將變壓器能量消耗在回路電阻上,。在上述過程中,由于D3續(xù)流,,S3不能導(dǎo)通,。由上述可見,3個導(dǎo)電臂中,,2個晶體管導(dǎo)通,,1個二極管導(dǎo)通。
若負(fù)載電感L比較大,,變壓器儲存能量比較多,,維持D3導(dǎo)通時間長;反之,,維持D3導(dǎo)通時間短,。
在t2~t3期間,ub1>0,ub5>0,ub6>0,ub2=0,ub3=0,ub4=0,。3個導(dǎo)電臂中,,3個晶體管導(dǎo)通。兩相負(fù)載均從電源E獲取能量,。
輸出波形uAB如圖3所示,。由圖看出:
①變壓器初級、次級輸出三組互差120°的正弦脈寬調(diào)制波,。
②輸出uO脈沖頻率是驅(qū)動信號脈沖頻率的兩倍,。
③逆變器具有3種工作模式:
第1種工作模式:3個晶體管導(dǎo)通,,二極管不導(dǎo)通;
第2種工作模式:2個晶體管導(dǎo)通,,1個二極管導(dǎo)通,;
第3種工作模式:1個晶體管導(dǎo)通,2個二極管導(dǎo)通,。
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