刘凤君
　　
　　(中国航天二院,北京100854)
　　
　　摘要:文中介绍了一种新型的三相双重叠加式UPS的基本工作原理和控制方法。
　　　　
　　常用的中、大功率UPS,多半是由SPWM控制的三相半桥式逆变器构成的,它有三个缺点:
　　
　　①必须要用高频开关管,造价高;
　　
　　②SPWM控制虽然可以消除基频谐波,但却带来了载频谐波;
　　
　　③开关管的开关频率较高,开关损耗大,逆变效率低。
　　
　　而改用多重叠加逆变器,可以克服或减小这些缺点,但多重叠加式逆变器的缺点是不能进行PWM调压,这为它的应用带来了障碍。为此,我们研究出来一种适合于多重叠加逆变器应用的PWM控制技术,即Ud-PWM控制技术,为多重叠加逆变器的应用扫除了障碍。
　　
　　本文介绍的三相双重叠加式UPS,是采用三相半桥式逆变器的双重叠加组成UPS主电路,它可以使逆变开关工作在基频状态,这为低速开关器件的应用和降低开关损耗创造了条件。降低了成本,提高了逆变效率,稳压采用了Ud-PWM控制,既可以调压,又不会增加载频谐波,是适合于中、大型UPS应用的一个比较好的电路方案。其特点是:所用开关器件少,且可以用中、低速开关器件,开关损耗小,逆变效率高,可以对输出电压进行线性的PWM稳压调节。
　　
　　1 三相半桥式逆变器的双重叠加
　　
　　逆变器的多重叠加,是上个世纪70年代提出来的。多重叠加的目的有三个:一是消除输出电压中的基频谐波,改善输出电压的波形;二是提高输出电压和输出功率;三是变换相数或变换波形。所谓三相半桥式逆变器的双重叠加,就是把两个三相半桥式逆变器,把它们移开π/(2×3)=π/6相位角,通过它们的输出变压器次级串联叠加,使叠加合成的输出电压成为三相对称的等阶宽6电平阶梯波电压,以达到消除谐波、提高输出电压和输出功率的目的。

　　
　　用两个三相半桥式逆变器,相互错开π/6相位角,实现三个方波电压叠加的逆变器主电路如图1所示,图2为它的合成相量图。假定三相半桥式逆变器Ⅰ通过其输出变压器TR1的输出电压为u1a,u1b,u1c;三相半桥式逆变器Ⅱ通过其输出变压器TR2的输出电压为u2a,u2b,u2c和u'2a,u'2b,u'2c。变压器TR1和TR2的初级接成三角形,以消除零序谐波,并将方波电压脉宽为180°的电压波形变换成脉宽为120°的电压波形。由于是三相双重叠加,相当于6个2H桥的叠加,故由文献[1]可知在合成的等阶宽6电平阶梯波中将包含12k±1,12k±3,12k±5三组谐波。其中12k±1组包含有基波,应保留。12k±3是零序谐波,可以通过三相输出变压器的Δ/Y接线来消除。只有12k±5这一组谐波需要通过双重叠加来消除。
　　
　　2 输出变压器的变比
　　
　　12k±5这一组谐波,需要通过三相双重叠加来消除,这是决定输出变压器变比的主要因素。假定三相半桥式逆变器Ⅱ滞后于三相半桥式逆变器Ⅰ的相位角为π/6=30°。
　　
　　由文献[1]知,A相输出电压uA应由u1a,u2a和u'2b三个方波电压来叠加,如图2所示。要消除12k±5组谐波,只要以5次谐波建立方程式,并令其等于零,而后解出变比A1即可,由图2可得
　　
　　3 叠加合成
　　
　　以A相电压uA的相量为基准,u1a和uA同相位,由文献[1]三相半桥式逆变器输出电压的表示式可知,当电压的方波脉冲宽度为θ,由于TR1、TR2的接线为Δ/Y,故由图3所示的三相半桥式逆变器的双重叠加波形可得
　　

　　由上式可以计算出在输出电压uA中所包括的谐波次数及其相对含量,如表1所示。由表1可知,在输出电压uA中消去了3、5、7、9、15、17、19、21、27、29、31、33、39、41、43、45、51、53、55、57……等奇次谐波,只剩下11、13、23、25、35、37、47、49……等奇次谐波。即在uA的波形中只包含12k±1这一组谐波,12k±3和12k±5这两组谐波被消除了。输出电压uA波形的畸变总量包括第65次谐波在内不超过15%。
　　
　　4 输出电压的Ud-PWM调节
　　
　　为了能够使三相半桥式逆变器双重叠加得到如图3所示的等阶宽阶梯波,能够进行PWM调压,必须把图3所示的叠加波形,改造成为如图4所示的中间带缝的叠加波形。这样才能够进行PWM调压。改造的依据是:三相半桥式逆变器的双重叠加,合成的电压是6阶等阶宽阶梯波,阶的宽度为30°,正好等于两个三相半桥式逆变器之间的相角差30°,一个周期内的阶梯起点角的个数等于一个周期中的钟脉冲数。因此可以用Ud-PWM调制法:即用12个钟脉冲产生的12个载波三角波Uc,与一个直流调制电压Ud进行比较,在Ud>Uc的部分产生出三相半桥式逆变器中逆变开关的PWM触发脉冲Ug,将Ug与三相半桥式逆变器开关原来的触发脉冲一起送到门电路中,当原来的触发脉冲与Ug同时为正时,产生出逆变器的PWM触发脉冲,才能得到可以进行PWM控制的,中间带缝的等阶宽阶梯波(见图4)。我们把这种PWM控制方式叫作Ud-PWM控制方式,其钟脉冲个数可以按照12的整倍数增加。
　　
　　对应图4所示的Ud-PWM双重叠加波形的三相半桥式逆变器的双重叠加控制电路,如图5所示。

将12f钟脉冲发生器产生的12个钟脉冲,送入到脉冲分配器(12环形计数器)中,分配器将序号为1、7,5、11,9、3,2、8,6、12,10、4的钟脉冲,分别送给双稳态触发器1～6,由双稳态触发器1～6产生的触发脉冲,分别去触发三相半桥式逆变器Ⅰ和Ⅱ中的开关管,就可以使两个三相半桥式逆变器的输出电压,双重叠加成如图4下部所示的Ud-PWM控制的等阶宽阶梯波。

5 输出电压Ud-PWM控制的特性

图4下部所示的Ud-PWM控制的等阶宽阶梯波各阶幅值的表示式由文献[2]可得
　　
　　式中N为参与多重叠加的2H桥的个数,对于三相半桥式逆变器的双重叠加,相当于6个2H桥的多重叠加,所以N=6,则
　　
　　(未完待续)

【红尘有你】