高頻UPS用與不用輸出變壓器的技術(shù)解析及其評(píng)論(二)
摘要:文中通過對(duì)高頻機(jī)型UPS用與不用輸出變壓器的技術(shù)解析,介紹了輸出變壓器的頻率特性和隔離功能,有輸出變壓器高頻UPS的組成與節(jié)能控制、輸出變壓器對(duì)效率曲線形狀的影響,無(wú)輸出變壓器阻止與抗*功能的實(shí)現(xiàn)。通過這些敘述來(lái)說(shuō)明高頻UPS采用與不采用輸出變壓器在技術(shù)上的真正原因,以糾正一些不正確說(shuō)法引起的爭(zhēng)論。采用輸出變壓器是節(jié)能控制技術(shù)的需要,不是傳統(tǒng)工頻UPS的遺留物;不采用輸出變壓器,實(shí)際上也是節(jié)能技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,不是因?yàn)檩敵鲎儔浩鳑]有隔離與抗*作用而被淘汰的。相反,輸出變壓器的頻率特性具有很強(qiáng)的隔離與抗*作用,輸出變壓器的漏抗對(duì)負(fù)載突變也有很好的緩沖作用。
產(chǎn)生這種開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖波形的控制電路如圖6所示。它由兩部分組成,圖中的上部是SPWM調(diào)制電路,下部為60°方脈沖形成電路。兩部分產(chǎn)生的波形在各開關(guān)管控制極上相加就可以得到如圖5所示的開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖波形。
用圖6所示的控制電路對(duì)逆變器進(jìn)行控制,就可以得到如圖4(b)中部所示的三相SPWM輸出電壓。相電壓的雙重傅里葉級(jí)數(shù)表示式為
表明在uA中只存在m+n=奇數(shù)的一組諧波,其中正序諧波、逆序諧波、零序諧波各占1/3。由于有零序諧波存在,所以必須采用輸出隔離變壓器,利用輸出變壓器的Y/Y或△/Y三相三線制輸入,三相四線制輸出接線來(lái)消除零序諧波,如圖4(a)右側(cè)的電路所示。
此外,由于UPS的整流器與逆變器電路相同,控制方式也相同,故其市電輸入電流的表示式與uA的表示式相同,由此可以算出市電輸入電流的THDI≤3.334%,所以市電輸入功率因數(shù)為
3 輸出變壓器對(duì)效率曲線形狀的影響
一般中大功率UPS用的輸出變壓器,都有(2%～2.5%)的自身?yè)p耗,這項(xiàng)損耗是取決于電壓的并聯(lián)損耗。它不僅僅直接影響UPS的效率,還會(huì)改變效率曲線的形狀。
有輸出變壓器SPWMUPS的效率(η)等于輸出功率Po與輸入功率Pi之比,即
式中:ΣP為各種損耗之和
UPS效率的等效電路如圖7(a)所示。功率損耗的等效電阻分為取決于電壓損耗的并聯(lián)電阻Ru和電流損耗的串聯(lián)電阻RI，其功率損耗的表示式為
輸入與輸出電壓不變時(shí),效率與負(fù)載率Io/IN的關(guān)系曲線如圖7(b)所示。為了找到UPS效率的特點(diǎn),這里作如下說(shuō)明:
(1)取決電壓的并聯(lián)電阻損耗Pu是不變的(固定)損耗,也叫空載損耗,其中主要是因諧波影響鐵損較大的輸出變壓器的損耗。
(2)取決電流的串聯(lián)電阻損耗PI是變化的,叫做可變損耗,主要是UPS的高頻開關(guān)損耗。
(3)對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)其等效電阻是不變的,當(dāng)電阻為線性時(shí)可以證明,當(dāng)Pu=PI時(shí)效率達(dá)到最大值ηmax,證明如下:
由前面的η、Pu、PI表示式可得
此式表明,隨著負(fù)載電流Io的增大,(Ui2/Ru)/(IoUo)下降,而IoRI/Uo上升。當(dāng)Pu>PI時(shí),隨著Io的增加,(Ui2/Ru)/(IoUo)減小,η增加,IoRI/Uo增大,使η減小,由于Pu>PI,所以最終使η增加;當(dāng)Pu=PI時(shí),隨著Io的增加,當(dāng)(Ui2/Ru)/(IoUo)減小使η增大的值等于IoRI/Uo的增大使η減小的值時(shí),η不升也不降,此時(shí)η=ηmax;當(dāng)Pu<PI時(shí),隨著Io的增加(Ui2/Ru)/(IoUo)減小,使η增大,IoRI/Uo增大,使η減小,由于Pu<PI,所以最終使η減小。這就證明了當(dāng)Pu=PI時(shí),效率η達(dá)到最大值ηmax。
下面找出ηmax與負(fù)載率的關(guān)系。由圖7(b)可知,當(dāng)PI與負(fù)載率的關(guān)系確定時(shí),Pu越小,ηmax的位置越向負(fù)載率小的一側(cè)移動(dòng);Pu越大,ηmax位置越向負(fù)載率大的一側(cè)移動(dòng),如圖7(c)所示。
由于有輸出變壓器,UPS的Pu較大,所以ηmax的位置移向了負(fù)載率大的一側(cè),故效率受負(fù)載率變化的影響大,高效率使用區(qū)域減小,這是有輸出變壓器UPS顯著的缺點(diǎn)之一。
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