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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(一)

来源: 2018-7-29 15:28:34      点击:

摘要:文中通过高频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。
    
  UPS的每一次发展与变革,都几乎与变压器有关,最近两年,由于高频UPS与工频UPS的争论,工频UPS以市电输入功率因数低、效率低而被淘汰。高频UPS成为当前UPS的发展方向。由于工频UPS应用了输出变压器,因而输出变压器也成了落后技术的标记而被淘汰不用。实际上工频UPS的落后是由于应用了晶闸管多相相控技术而引起的。与输出变压器没有关系,如果把晶闸管换成GTO,把多相相控换成Udc-PWM控制,把输入整流变压器改用自耦变压器,同样可以把工频UPS的性能提高到高频UPS的水平。同时还可以使开关损耗比高频UPS小30倍[1],采用输出变压器最大的缺点是体积、重量大,但它对UPS性能的提高确实还有好的一面,如可以使UPS的负载与市电电源隔离,可以滤除逆变器输出电压中的直流分量等。正是因为如此,所以国外有的厂商还在生产带有输出变压器的UPS,而且我国的一些用户也还在使用有输出变压器的UPS。如中石化、钢铁、电力、军事等部门,其原因就在于有输出变压器的高频UPS有如下的优点:
  
  (1)可以实现负载与市电电源的隔离,可以阻止与衰减市电电源中的高压尖峰脉冲、高压毛刺、暂态过电压、电涌等对负载的*,增加了负载运行的安全性;
  
  (2)可以滤除逆变器输出电压中的直流分量;
  
  (3)可以减小UPS的零地电压;
  
  (4)可以帮助高频UPS实现节能控制,把开关损耗减少50%;
  
  (5)能够缓冲负载的突变,提高UPS的运行安全性。
  
  但也有人认为输出变压器只是在工频UPS中有升压和产生三相四线输出的零线,没有隔离和抗*作用,所以在高频UPS中是用不着的。事实并非如此,它有很强的隔离与阻止和衰减市电电源中高压脉冲、暂态过电压等对负载产生的*,这种作用是由于变压器的频率特性决定的。
  
  1输出变压器的频率特性和隔离功能
  
  这里所说的隔离功能是指隔离与阻止市电电源中的高压尖峰脉冲、尖峰毛刺、电涌、暂态过电压等对负载的直接影响。隔离的含义是要使负载与市电电源的火线没有直接的电接触(单独的零线接触构不成回路,不能产生*),即不让负载与市电电源有直接的导体连接。负载所需的工频电能只能通过变压器初、次级绕组之间的电磁耦合来传送,用变压器初、次级之间的绝缘材料来隔离市电电源中的高压尖峰脉冲、暂态过电压、尖峰毛刺等传送到负载。变压器的这种隔离作用,是由变压器参数随电源频率变化所产生的输出电压衰减特性(即频率特性)形成的。为了说明这种功能,可以用变压器的等效电路推导出它的频率特性来进行证明。
  
  作为变压器,一般都是工作在某一固定的频率,如工频电源变压器,它是工作在工频50Hz,但当考查变压器的隔离功能时,就必须研究它对低频与高频谐波所能产生的输出电压衰减特性。
  
  对于一般的输出变压器,它的等效电路如图1所示。


  
  这些参数是按一般理论值给出的。对于低频谐波与高频谐波,这些参数会发生相应的变化。
  
  (1)对于低频谐波
  
  电路中的漏抗会因频率降低而变小,故可以忽略不计,得到低频谐波简化等效电路如图2(a)所示。为了考查低频谐波的输出电压衰减特性,可以用电压衰减系数U2′/U20′来表示,其中U2′为折算到初级的不同频率时输出电压,U20′为折算到初级的工频时输出电压。假定f为电压频率。
  
  在变压器初级加入不同频率的谐波电压时,变压器内的参数将会发生不同的变化。因此输出电压也将随着输入电压频率的不同而变化。输出电压的衰减系数也要发生变化。
  
  根据等效电路图2(a),输出变压器的输出电压衰减系数为


  
  (2)对于工频50Hz基波
  
  电路在工频50Hz基波时,漏抗仍然很小,仍然可以忽略不计。同时铁损也较小。而初级绕组感抗却较大,所以rc和L1的并联支路可以看成是开路,故可以得到简化的等效电路如图2(b)所示。此时的输出变压器输出电压的衰减系数U2′/U20′=1,即电压无衰减。


  
  (3)对于高频谐波
  
  电路在高频时,rc和L1的并联支路可以看成是开路,而漏抗却因频率的升高而变大,不能忽略。故得到简化的等效电路如图2(c)所示。此时输出变压器的输出电压衰减系数为


  
  式中:n为变压器变比。


  
  根据低频谐波、工频基波、高频谐波时的等效电路及输出电压衰减系数表示式,作出输出变压器输出电压衰减系数U2′/U20′与谐波及基波频率f之间的关系曲线如图3(a)所示。此外,由于变压器绕组电感和分布电容随着工作频率的变化而变化时,也能引起输出电压相位的变化,变化值与工作频率f的关系曲线如图3(b)所示。通常把U2′/U20′与f的关系曲线叫做频率特性,曲线形状与铁心材料、绕制工艺、初级电感与初、次级漏感的比例有关。由图3(a)所示的频率特性可知,输出变压器对直流、低频及高频谐波电压、高频脉冲电压是有很强衰减和阻止作用的,特别是直流电压和频率高于fG的谐波电压和高频脉冲电压都具有很强的隔离阻断作用,使逆变器输出电压中的直流分量、高频谐波分量,市电电源中的浪涌、高频尖脉冲、暂态过电压、毛刺电压等不能流入到负载。故输出变压器确实具有隔离、抗*作用,以及对负载突变具有缓冲作用,这一点是不应怀疑的。
  
  2 有输出变压器UPS的组成与节能控制
  
  高频UPS最大的缺点是开关损耗比较大,为了减少开关损耗,通常的方法是采用软开关或节能控制,但当频率较高时系统会产生高频效应,如集肤效应、邻近效应,使分布电容电感增大,电容电感参数发生质变等,因此不宜采用软开关技术。只能采用SPWM节能控制技术。这时,就必须应用输出变压器来帮助高频UPS实现SPWM节能控制。
  
  高频UPS的SPWM节能控制的原理和方法,我在文献[2]中已经做过了介绍,它是利用三相电压(或电流)的对称性,在电压(或电流)波形的()60°峰值区间内不进行SPWM控制,而只在()和()之间进行SPWM控制,以达到节省开关损耗50%的节能效果。为了实现这种节能控制,在控制电路中加入60°方波脉冲与SPWM控制波形叠加作为开关管的驱动脉冲信号。因此在三相半桥式逆变器的输出电压中,将会含有因为SPWM调制而产生的零序谐波,因在控制电路中加入了60°方波脉冲而产生的零序谐波。因此如何消除这些零序谐波就成了高频UPS实现节能控制的关键。对于整流器来说,由于市电输入电路本身就是三相三线输入电路,零序电流没有通路而被自动消除。但对于三相半桥式逆变器来说,它的输出是三相四线制的,零序电流是有通路的。因此必须用输出变压器的Y/Y或△/Y接线把它改变成三相三线制输入、三相四线制输出来帮助逆变器消除零序谐波,实现SPWM节能控制。这就是采用节能控制的高频UPS必须要用输出变压器的理由。


  
  采用SPWM节能控制的,有输出变压器高频UPS的电路图和SPWM调制波形如图4所示(见后页)。其中图(a)为电路图,图(b)为调制波形。在图4(b)的左侧标出了整流器与逆变器的开关驱动脉冲SPWM调制波形和逆变器输出电压的SPWM波形。由此可知,逆变器三相输出电压之和uA+uB+uC≠0。表明在三相输出的相电压中含有零序谐波,如图4(b)的下部所示。

图5所示为逆变器的开关驱动脉冲波形,其中图5(a)表示的是开关驱动脉冲波形,是由SPWM调制波与60°方波脉冲叠加合成的,中间60°方波部分表示不进行SPWM调制以实现节能。图5(b)表示的是逆变器各开关的节能控制驱动脉冲波形。(未完待续)