高頻UPS用與不用輸出變壓器的技術(shù)解析及其評論(一)
摘要:文中通過高頻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、輸出變壓器對效率曲線形狀的影響,無輸出變壓器阻止與抗*功能的實(shí)現(xiàn)。通過這些敘述來說明高頻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法引起的爭論。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負(fù)載突變也有很好的緩沖作用。
UPS的每一次發(fā)展與變革,都幾乎與變壓器有關(guān),最近兩年,由于高頻UPS與工頻UPS的爭論,工頻UPS以市電輸入功率因數(shù)低、效率低而被淘汰。高頻UPS成為當(dāng)前UPS的發(fā)展方向。由于工頻UPS應(yīng)用了輸出變壓器,因而輸出變壓器也成了落后技術(shù)的標(biāo)記而被淘汰不用。實(shí)際上工頻UPS的落后是由于應(yīng)用了晶閘管多相相控技術(shù)而引起的。與輸出變壓器沒有關(guān)系,如果把晶閘管換成GTO,把多相相控?fù)Q成Udc-PWM控制,把輸入整流變壓器改用自耦變壓器,同樣可以把工頻UPS的性能提高到高頻UPS的水平。同時(shí)還可以使開關(guān)損耗比高頻UPS小30倍[1],采用輸出變壓器最大的缺點(diǎn)是體積、重量大,但它對UPS性能的提高確實(shí)還有好的一面,如可以使UPS的負(fù)載與市電電源隔離,可以濾除逆變器輸出電壓中的直流分量等。正是因?yàn)槿绱?所以國外有的廠商還在生產(chǎn)帶有輸出變壓器的UPS,而且我國的一些用戶也還在使用有輸出變壓器的UPS。如中石化、鋼鐵、電力、軍事等部門,其原因就在于有輸出變壓器的高頻UPS有如下的優(yōu)點(diǎn):
(1)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載與市電電源的隔離,可以阻止與衰減市電電源中的高壓尖峰脈沖、高壓毛刺、暫態(tài)過電壓、電涌等對負(fù)載的*,增加了負(fù)載運(yùn)行的安全性;
(2)可以濾除逆變器輸出電壓中的直流分量;
(3)可以減小UPS的零地電壓;
(4)可以幫助高頻UPS實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制,把開關(guān)損耗減少50%;
(5)能夠緩沖負(fù)載的突變,提高UPS的運(yùn)行安全性。
但也有人認(rèn)為輸出變壓器只是在工頻UPS中有升壓和產(chǎn)生三相四線輸出的零線,沒有隔離和抗*作用,所以在高頻UPS中是用不著的。事實(shí)并非如此,它有很強(qiáng)的隔離與阻止和衰減市電電源中高壓脈沖、暫態(tài)過電壓等對負(fù)載產(chǎn)生的*,這種作用是由于變壓器的頻率特性決定的。
1輸出變壓器的頻率特性和隔離功能
這里所說的隔離功能是指隔離與阻止市電電源中的高壓尖峰脈沖、尖峰毛刺、電涌、暫態(tài)過電壓等對負(fù)載的直接影響。隔離的含義是要使負(fù)載與市電電源的火線沒有直接的電接觸(單獨(dú)的零線接觸構(gòu)不成回路,不能產(chǎn)生*),即不讓負(fù)載與市電電源有直接的導(dǎo)體連接。負(fù)載所需的工頻電能只能通過變壓器初、次級繞組之間的電磁耦合來傳送,用變壓器初、次級之間的絕緣材料來隔離市電電源中的高壓尖峰脈沖、暫態(tài)過電壓、尖峰毛刺等傳送到負(fù)載。變壓器的這種隔離作用,是由變壓器參數(shù)隨電源頻率變化所產(chǎn)生的輸出電壓衰減特性(即頻率特性)形成的。為了說明這種功能,可以用變壓器的等效電路推導(dǎo)出它的頻率特性來進(jìn)行證明。
作為變壓器,一般都是工作在某一固定的頻率,如工頻電源變壓器,它是工作在工頻50Hz,但當(dāng)考查變壓器的隔離功能時(shí),就必須研究它對低頻與高頻諧波所能產(chǎn)生的輸出電壓衰減特性。
對于一般的輸出變壓器,它的等效電路如圖1所示。
這些參數(shù)是按一般理論值給出的。對于低頻諧波與高頻諧波,這些參數(shù)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。
(1)對于低頻諧波
電路中的漏抗會(huì)因頻率降低而變小,故可以忽略不計(jì),得到低頻諧波簡化等效電路如圖2(a)所示。為了考查低頻諧波的輸出電壓衰減特性,可以用電壓衰減系數(shù)U2′/U20′來表示,其中U2′為折算到初級的不同頻率時(shí)輸出電壓,U20′為折算到初級的工頻時(shí)輸出電壓。假定f為電壓頻率。
在變壓器初級加入不同頻率的諧波電壓時(shí),變壓器內(nèi)的參數(shù)將會(huì)發(fā)生不同的變化。因此輸出電壓也將隨著輸入電壓頻率的不同而變化。輸出電壓的衰減系數(shù)也要發(fā)生變化。
根據(jù)等效電路圖2(a),輸出變壓器的輸出電壓衰減系數(shù)為
(2)對于工頻50Hz基波
電路在工頻50Hz基波時(shí),漏抗仍然很小,仍然可以忽略不計(jì)。同時(shí)鐵損也較小。而初級繞組感抗卻較大,所以rc和L1的并聯(lián)支路可以看成是開路,故可以得到簡化的等效電路如圖2(b)所示。此時(shí)的輸出變壓器輸出電壓的衰減系數(shù)U2′/U20′=1,即電壓無衰減。
(3)對于高頻諧波
電路在高頻時(shí),rc和L1的并聯(lián)支路可以看成是開路,而漏抗卻因頻率的升高而變大,不能忽略。故得到簡化的等效電路如圖2(c)所示。此時(shí)輸出變壓器的輸出電壓衰減系數(shù)為
式中:n為變壓器變比。
根據(jù)低頻諧波、工頻基波、高頻諧波時(shí)的等效電路及輸出電壓衰減系數(shù)表示式,作出輸出變壓器輸出電壓衰減系數(shù)U2′/U20′與諧波及基波頻率f之間的關(guān)系曲線如圖3(a)所示。此外,由于變壓器繞組電感和分布電容隨著工作頻率的變化而變化時(shí),也能引起輸出電壓相位的變化,變化值與工作頻率f的關(guān)系曲線如圖3(b)所示。通常把U2′/U20′與f的關(guān)系曲線叫做頻率特性,曲線形狀與鐵心材料、繞制工藝、初級電感與初、次級漏感的比例有關(guān)。由圖3(a)所示的頻率特性可知,輸出變壓器對直流、低頻及高頻諧波電壓、高頻脈沖電壓是有很強(qiáng)衰減和阻止作用的,特別是直流電壓和頻率高于fG的諧波電壓和高頻脈沖電壓都具有很強(qiáng)的隔離阻斷作用,使逆變器輸出電壓中的直流分量、高頻諧波分量,市電電源中的浪涌、高頻尖脈沖、暫態(tài)過電壓、毛刺電壓等不能流入到負(fù)載。故輸出變壓器確實(shí)具有隔離、抗*作用,以及對負(fù)載突變具有緩沖作用,這一點(diǎn)是不應(yīng)懷疑的。
2 有輸出變壓器UPS的組成與節(jié)能控制
高頻UPS最大的缺點(diǎn)是開關(guān)損耗比較大,為了減少開關(guān)損耗,通常的方法是采用軟開關(guān)或節(jié)能控制,但當(dāng)頻率較高時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生高頻效應(yīng),如集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng),使分布電容電感增大,電容電感參數(shù)發(fā)生質(zhì)變等,因此不宜采用軟開關(guān)技術(shù)。只能采用SPWM節(jié)能控制技術(shù)。這時(shí),就必須應(yīng)用輸出變壓器來幫助高頻UPS實(shí)現(xiàn)SPWM節(jié)能控制。
高頻UPS的SPWM節(jié)能控制的原理和方法,我在文獻(xiàn)[2]中已經(jīng)做過了介紹,它是利用三相電壓(或電流)的對稱性,在電壓(或電流)波形的(
)60°峰值區(qū)間內(nèi)不進(jìn)行SPWM控制,而只在(
)和(
)之間進(jìn)行SPWM控制,以達(dá)到節(jié)省開關(guān)損耗50%的節(jié)能效果。為了實(shí)現(xiàn)這種節(jié)能控制,在控制電路中加入60°方波脈沖與SPWM控制波形疊加作為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖信號。因此在三相半橋式逆變器的輸出電壓中,將會(huì)含有因?yàn)镾PWM調(diào)制而產(chǎn)生的零序諧波,因在控制電路中加入了60°方波脈沖而產(chǎn)生的零序諧波。因此如何消除這些零序諧波就成了高頻UPS實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的關(guān)鍵。對于整流器來說,由于市電輸入電路本身就是三相三線輸入電路,零序電流沒有通路而被自動(dòng)消除。但對于三相半橋式逆變器來說,它的輸出是三相四線制的,零序電流是有通路的。因此必須用輸出變壓器的Y/Y或△/Y接線把它改變成三相三線制輸入、三相四線制輸出來幫助逆變器消除零序諧波,實(shí)現(xiàn)SPWM節(jié)能控制。這就是采用節(jié)能控制的高頻UPS必須要用輸出變壓器的理由。
采用SPWM節(jié)能控制的,有輸出變壓器高頻UPS的電路圖和SPWM調(diào)制波形如圖4所示(見后頁)。其中圖(a)為電路圖,圖(b)為調(diào)制波形。在圖4(b)的左側(cè)標(biāo)出了整流器與逆變器的開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖SPWM調(diào)制波形和逆變器輸出電壓的SPWM波形。由此可知,逆變器三相輸出電壓之和uA+uB+uC≠0。表明在三相輸出的相電壓中含有零序諧波,如圖4(b)的下部所示。
圖5所示為逆變器的開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖波形,其中圖5(a)表示的是開關(guān)驅(qū)動(dòng)脈沖波形,是由SPWM調(diào)制波與60°方波脈沖疊加合成的,中間60°方波部分表示不進(jìn)行SPWM調(diào)制以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。圖5(b)表示的是逆變器各開關(guān)的節(jié)能控制驅(qū)動(dòng)脈沖波形。(未完待續(xù))
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