(本刊编委会主任 北京 100029)

　　关键词:无输出变压器;高频机型UPS;功率半导体

　　Research on No Output Transformer-based UPS Technology (1)

　　ZHANG Guang-ming

　　(Director of Our Editorial Committee, Beijing 100029, China)

　　only one industrial frequency transformer instead of several ones. UPS has made a great progress in miniaturization, energy conservation and environmental protection. IGBT boost rectifying technology and no output transformer-based UPS technology represent the huge advancement in UPS and they also lead the development trend of UPS technologies.

　　Keywords: No Output Transformer; High-frequency UPS; Power Semiconductor

　　2 UPS输出隔离变压器的功能

　　了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的,因为只有当用电路设计能够完全实现其功能时,才有可能在新一代设备中替代并取消它。实际上对这个问题是存在一些误解的,诸如逆变器输出隔离变压器“有隔离的作用”、能够“抗干扰”、能够“缓冲负载的突变”,还能“提高UPS的可靠性”等,甚至于认为无输出变压器的UPS就不能可靠工作,好像此变压器是为了这些目的而专门设计的。持有这种看法的人或者是对UPS逆变器工作原理不太了解,或者是对隔离变压器的功能和在逆变器电路中的作用不甚了解。应该说这个变压器是工频机全桥逆变器不可分离的构成部分,而且其作用也很简单:升压和产生三相四线输出的零线。

　　2.1 输出变压器的功能之一是为单相负载提供所

　　需要的零线

　　传统双转换UPS输出变压器的一个重要功能是在UPS输出端产生为单相负载供电时所需要的中性线(通常称为零线)。

　　带输出变压器的UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成的,如图6和图7所示。输出端必须加变压器,否则就完不成输出单相或三相四线交流电压的功能,所以此变压器应视为产生输出零线的变压器。

　　图6为单相UPS输出DC/AC逆变器主电路图,它是一个全桥逆变电路,每个桥臂有两个串联的IGBT(VT1～VT4),输出交变电压UAB由两个桥臂的中点A和B引出。

　　当VT1和VT4同时导通(VT2和VT3截止)时,由直流电压E形成的电流回路是电压E的正端—VT1—负载A端—负载B端—VT4—电压E的负端;而VT2和VT3同时导通(VT1、VT4截止)时,由直流电压E形成的电流回路是电压E正端—VT2—负载B端—负载A端—VT3—电压E的负端。如果VT1和VT4与VT2和VT3交替导通的周期是50Hz,则加在负载上的电压UAB是幅值为直流电压E的50Hz方波或者准方波,如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高频正弦波脉宽调制(SPWM)规律导通和截止,则负载端电压UAB是幅值可调整的正弦波。

　　值得注意的是,通常单相负载的输入电压要求有一根零线,而且这根零线在系统中(供电系统输入变压器的输出端)是要接大地的,显然,如果把图6单相电路中的A或者B任一点做输出零线接地,都会使输入电压通过导通的半导体功率器件对零线短路而立即烧毁逆变器,所以变压器T是必须要有的。

　　图7为三相UPS输出的全桥DC/AC逆变器电路图。为了满足负载必须有零线的要求,于是就增加一个输出隔离变压器T,变压器的一次侧做三角型连接,由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入,变压器次级星型连接,产生新的零线按三相四线制向负载供电。

　　这里不仅需要输出隔离变压器产生零线,为了UPS转旁路时也能正常供电,输出变压器产生的零线还必须与系统输入的零线连接在一起。

　　2.2 输出变压器的功能之二是对输出电压的匹配

　　作用

　　传统大中型UPS主回路结构采用晶闸管整流将输入的交流电整流为直流电,电池直接挂在直流母线上,当输入市电正常时,靠整流晶闸管的调节对电池充电,同时为IGBT结构的桥式逆变器供电。从系统结构可以看出,从整流到逆变的过程中,每个环节都是降压环节:晶闸管整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式,由于晶闸管整流要“斩掉”一部分输入电压,所以其输出电压恒定的代价是输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出正弦交流电的过程中通常采用的是脉宽调制(PWM)方法,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS逆变器中,输出变压器起着电压匹配和提升的作用,将逆变器输出的电压升至到合理的输出范围。

　　在实际应用中,输出变压器通常采用图8的接法,变压器初级是三角型,对于没有升降压作用的隔离变压器,三个初级线圈的电压都是380V,次级是星型,三个次级线圈的电压都是220V,那么初次级线圈的匝比应该是:N1:N2=1:0.577。

　　当要求输出相电压为稳定的220V时,变压器原边的峰值电压(即直流电压E)应该是

　　220V×1.414×1.732=538.8V

　　考虑到逆变器PWM工作方式,为逆变器供电的直流电压要高于变压器原边的峰值电压,最小极限值通常取变压器原边峰值电压1.2倍左右,即538.8V×1.2=646.56V。

　　但是,当考虑输入电压下限变化10%时,输入三相线电压全波整流的最高直流电压的理论值是380V×1.414×0.9=483V。

　　实际上考虑到AC/DC转换过程的降压因素,大中型UPS的电池(直接跨接在直流母线上)通常配置32～34节,额定电压为384～408V,浮充电压(即AC/DC变换后的直流母线电压)为432～459V,电池放电下线电压为340～362V。

　　UPS直流母线电压的下限值(340～362V)与输出电压要求的变压器原边的峰值电压(646.56V)之间的差别应该由输出变压器采用升压方法来解决,所以,输出变压器的升压比应该是:646.56V/(340～362V),即1.9～1.78。也就是说,输出变压器的实际匝比应该是:1:1.9或1:1.78。

　　以上数据是按一般情况推算的,实际情况与不同的电路结构形式有直接的关系,输出变压器的参数和接法也不尽相同,但不管电路差别有多大,输出变压器总是通过原付边匝比的变化起着匹配逆变器输入电压与UPS输出电压的作用。

　　2.3 输出变压器是隔离变压器,但在系统中没有隔

　　离功能

　　在UPS供电系统中,UPS设备的一个至关重要的功能是当输出过载或者UPS逆变器故障时,自动转静态旁路供电,另外,在系统中还设置了维护旁路,当UPS需要维护时可手动转维护旁路向负载供电。执行这两个操作时,都是由旁路输入三相四线电压直接向负载供电,所以系统的零线与负载端的零线必须短接在一起。这就决定了带输出变压器的UPS的变压器次级新产生的零线必须连接到输入供电系统的零线上,如图9所示。也就是说,UPS机内的变压器没有供电系统隔离的功能,如果系统存在零-地电压差较大的问题,UPS机内的逆变器输出变压器对此电压差是无能为力的。

　　在实际应用中，当零-地电压差过大而需要降低时，就必须额外配置专门的隔离变压器，如图10和图11所示。（游米儿） (未完待续)