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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(三)

来源: 2018-7-29 15:30:11      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。

4 关于无输出变压器高频UPS抗*功能的实现
  
  有输出变压器高频UPS是一种功能完善的高频UPS,它既可以实现不间断供电,又克服了市电电源的某些电能质量问题,并可以把市电中的浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、尖脉冲、毛刺等与负载隔离,使负载不受其*。但这种UPS有两个大的缺点:一是体积重量大;二是变压器本身是有损耗的,这种损耗不仅仅直接降低了UPS的效率,而且这种损耗是一种并联固定损耗。它可以使UPS的效率曲线发生形变,最大效率ηmax向负载率大的一侧移动,使UPS低负载率时的效率降低。这个缺点实际上就是由变压器的铁心损耗电阻和初级绕组电感造成的[即图2(a)中的rc和L1]。为了提高UPS的效率,特别是提高低负载率时的效率,有些人提出来去掉输出变压器,并把无变压器UPS定为UPS的发展方向。要去掉输出变压器,并保持UPS原有的抗*水平,必须要解决两个问题:
  
  (1)必须采取措施把逆变器输出电压中的直流分量清除掉;
  
  (2)要用固定的外加电感取代变压器中的初、次级漏感,以隔离或阻止市电中的浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、尖脉冲、毛刺等对负载的*。
  
  实际上,高频无变压器UPS中的输入与输出滤波器用截止频率就可以起到阻止高频谐波的作用,只是不能消除逆变器输出电压中的直流分量,如图8中虚线框内的输入输出滤波器。

由于电力电子技术的发展,使得变压器在UPS中的作用可以用无变压器电路来完成,如表1所示。

这为无变压器UPS的实现打下了基础。由于去掉了输出变压器,使并联固定损耗减小,因此UPS效率曲线中的ηmax点向负载率小的一侧移动,得到效率与负载率的关系曲线如图9所示。

可以看出,负载率在25%~100%时,无输出变压器UPS的工作效率基本上可以保持在94%以上,这对于在“1+1”冗余并机或双总线配置系统中应用时是很有利的,因为这时UPS的实时负载率只有30%~40%,此时UPS的效率仍然可以保持在94.2%以上。这是无输出变压器高频UPS最显著的优点之一。


  
  有输出变压器高频UPS与无输出变压器高频UPS的性能对比如表2所示。由此表可知,两种高频UPS都是当前最好的UPS,各有特点。对于某些需要采用输出变压器进行隔离的用户,例如某些石化、钢铁、电力部门作为自动控制或仪表供电电源时,就采用有输出变压器的高频UPS,对于大多数不需要采用输出变压器隔离的用户,从效率、投资与体积重量等方面考虑还是采用无输出变压器高频UPS好。
  
  这里需注意的一点是,无输出变压器高频UPS有多种:有用两个三相半桥式逆变器构成的,也有用两个三相四桥臂逆变器构成的;有的带蓄电池、放电电压变换器(Buck/BoostDC/DC变换器)以实现蓄电池充放电管理,有的不带;有的带不平衡负载或非线性负载引起的直流脉动电流滤波器,有的不带;有的用阻抗源逆变器构成,有的不用;有的用SPWM节能控制,有的用软开关技术,有的什么节能措施都不用……因此,都是无输出变压器高频UPS,但性能差异较大,选用时应当注意选择。
  
  5 结束语
  
  笔者认为,对于UPS的研发和改进应该分成两个阶段:第一个阶段是对UPS能量变换方式或型式的改进。例如由晶闸管多相相控整流器被BoostPFCSPWM高频开关式整流器取代,在UPS中去掉了工频变压器,开发出高频无变压器UPS,使UPS的技术性能和节能水平得到了很大的提高,但这只是取得了阶段性成果。第二个阶段应该是对UPS能量变换次数或UPS的结构型式进行改进。当前的无变压器高频UPS采用的是集中供电方式,从市电到电脑开关电源的输出端,总共要经过三次整流、二次逆变、一次变压共六次变换,使电能损失高达30%以上,是一种极大的浪费。因此,从提高电能应用效率来考虑,应该尽量地减少电能的变换次数。第一步首先是减少无输出变压器高频UPS变换次数,将它的整流、逆变双变换合并成一种变换。研发推广市电交互式UPS。第二步是去掉集中供电的高频无变压器UPS,研发与推广高频开关式UPS自主供电方式,这样才能最大限度地提高市电电能的利用率。所谓高频开关式UPS自主供电方式就是在各台电脑的开关电源中加入蓄能锂电池构成UPS,实现一对一分散供电方式。这样做的好处是:负载率高、效率高、可靠性高、减少了占地面积与投资费用,也减小了铅酸蓄电池的污染等。有关内容请参阅文献[3]。
  
  参考文献
  
  [1]刘凤君,UPS的节能控制与Udc-PWM控制,UPS应用,2012年3~5月.
  
  [2]刘凤君,高频UPS的两种新型节能控制方式,电源技术应用,2011年9月.
  
  [3]刘凤君,高频开关电源与UPS新思路,电源技术应用,2011年8月.
  
  [4]刘凤君,工频与高频三相绿色UPS电路,电子工业出版社,2011年,北京.
  
  作者简介
  
  刘凤君,研究员。从事电力电子技术研究50余年,著书12本,发表文章380余篇,获国家科技成果三等奖4次,四等奖3次,因贡献突出记功一次,荣立一等功一次,参加了部级劳模大会。