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高频UPS用与不用输出变压器的技术解析及其评论(二)

来源: 2018-7-29 15:29:26      点击:

 摘要:文中通过对高频机型UPS用与不用输出变压器的技术解析,介绍了输出变压器的频率特性和隔离功能,有输出变压器高频UPS的组成与节能控制、输出变压器对效率曲线形状的影响,无输出变压器阻止与抗*功能的实现。通过这些叙述来说明高频UPS采用与不采用输出变压器在技术上的真正原因,以纠正一些不正确说法引起的争论。采用输出变压器是节能控制技术的需要,不是传统工频UPS的遗留物;不采用输出变压器,实际上也是节能技术发展的结果,不是因为输出变压器没有隔离与抗*作用而被淘汰的。相反,输出变压器的频率特性具有很强的隔离与抗*作用,输出变压器的漏抗对负载突变也有很好的缓冲作用。
    
  产生这种开关驱动脉冲波形的控制电路如图6所示。它由两部分组成,图中的上部是SPWM调制电路,下部为60°方脉冲形成电路。两部分产生的波形在各开关管控制极上相加就可以得到如图5所示的开关驱动脉冲波形。


  
  用图6所示的控制电路对逆变器进行控制,就可以得到如图4(b)中部所示的三相SPWM输出电压。相电压的双重傅里叶级数表示式为


  
  表明在uA中只存在m+n=奇数的一组谐波,其中正序谐波、逆序谐波、零序谐波各占1/3。由于有零序谐波存在,所以必须采用输出隔离变压器,利用输出变压器的Y/Y或△/Y三相三线制输入,三相四线制输出接线来消除零序谐波,如图4(a)右侧的电路所示。
  
  此外,由于UPS的整流器与逆变器电路相同,控制方式也相同,故其市电输入电流的表示式与uA的表示式相同,由此可以算出市电输入电流的THDI≤3.334%,所以市电输入功率因数为


  
  3 输出变压器对效率曲线形状的影响
  
  一般中大功率UPS用的输出变压器,都有(2%~2.5%)的自身损耗,这项损耗是取决于电压的并联损耗。它不仅仅直接影响UPS的效率,还会改变效率曲线的形状。
  
  有输出变压器SPWMUPS的效率(η)等于输出功率Po与输入功率Pi之比,即


  
  式中:ΣP为各种损耗之和


  UPS效率的等效电路如图7(a)所示。功率损耗的等效电阻分为取决于电压损耗的并联电阻Ru和电流损耗的串联电阻RI,其功率损耗的表示式为


  
  输入与输出电压不变时,效率与负载率Io/IN的关系曲线如图7(b)所示。为了找到UPS效率的特点,这里作如下说明:
  
  (1)取决电压的并联电阻损耗Pu是不变的(固定)损耗,也叫空载损耗,其中主要是因谐波影响铁损较大的输出变压器的损耗。
  
  (2)取决电流的串联电阻损耗PI是变化的,叫做可变损耗,主要是UPS的高频开关损耗。
  
  (3)对于UPS来说其等效电阻是不变的,当电阻为线性时可以证明,当Pu=PI时效率达到最大值ηmax,证明如下:
  
  由前面的η、Pu、PI表示式可得


  
  此式表明,随着负载电流Io的增大,(Ui2/Ru)/(IoUo)下降,而IoRI/Uo上升。当Pu>PI时,随着Io的增加,(Ui2/Ru)/(IoUo)减小,η增加,IoRI/Uo增大,使η减小,由于Pu>PI,所以最终使η增加;当Pu=PI时,随着Io的增加,当(Ui2/Ru)/(IoUo)减小使η增大的值等于IoRI/Uo的增大使η减小的值时,η不升也不降,此时η=ηmax;当Pu<PI时,随着Io的增加(Ui2/Ru)/(IoUo)减小,使η增大,IoRI/Uo增大,使η减小,由于Pu<PI,所以最终使η减小。这就证明了当Pu=PI时,效率η达到最大值ηmax。
  
  下面找出ηmax与负载率的关系。由图7(b)可知,当PI与负载率的关系确定时,Pu越小,ηmax的位置越向负载率小的一侧移动;Pu越大,ηmax位置越向负载率大的一侧移动,如图7(c)所示。
  
  由于有输出变压器,UPS的Pu较大,所以ηmax的位置移向了负载率大的一侧,故效率受负载率变化的影响大,高效率使用区域减小,这是有输出变压器UPS显著的缺点之一。