3.2 PFC技术可同时完成输入功率因数校正和升

　　压功能

　　采用高频整流技术(IGBT-PFC)同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能,是无输出变压器UPS电路技术的另一重要的标志性特点。PFC技术已经很成熟,根据不同的应用场合和不同的性能要求,其电路拓扑形式也不尽相同,但其基本原理是相同的,具有功率校正功能的电路有降压式、升/降压式、反击式、升压式(Boost)四种形式,在UPS设备中,为了同时完成对输入功率因数校正和提升电压的功能,自然就采用了升压式(Boost)电路。

　　图16是单相升压式(Boost)电路原理图。图中的C1为高频小容量电容器,用以消除开关管在高频开关时产生的传向电网的干扰。C2是大容量直流电解电容器。与一般AC/DC整流变换所不同的是,在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节,其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC环节由电感L、开关管VT和二极管VD以及相应的控制电路组成,控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值、输出直流电压幅值三种反馈信号,并以PWM方式控制开关管的导通和截止,其工作过程如下:功率开关管VT导通时,二极管VD因反向偏置而截止,输入电压通过开关管VT向电感L充磁,电感电流(即此时的输入电流)IL的变化规律直接取决于电感L值和此时的输入电压瞬时值,其增加值则同时与L值、此时刻输入电压的瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时,由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上,使二极管VD正向导通,电感L将储存的磁能转化为电能向电容C2充电并向负载输出,输入电流IL下降,IL下降速率与电感L值、此时刻输入电压瞬时值,以及负载(即直流电压U2的输出负载)大小有关,其减小值除取决于以上因素外,还与开关管VT的截止时间有关。显然,当输入电压U1以正弦规律变化时,控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制,当工作频率足够高时(例如15～20kHz),输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

　　对于三相输入的大功率传统双变换型UPS,其输入电路是三相整流形成统一的直流母线(同时配备一组蓄电池),输入功率因数校正和升压原理与单相类似,电路形式有由三个单相PFC组合式、单开关三相PFC、三开关三相PFC、六开关三相PFC等多种拓扑结构形式。图14中的输入电路就是六开关(IGBT)三相PFC原理电路。

　　六开关三相PFC是由六只开关功率器件组成的三相PWM整流电路,图17是其原理电路。每个桥路由上下两只开关管及与其反向并联的二极管组成,每相电流可通过该相桥臂上的这两只开关管控制。如A相电压为正时,VT4导通使电感La上电流ia增大,电感La充电储能;VT4关断时,电感La感应电压叠加在输入电压UA上(升压),使与VT1并联的二极管VD1导通,电流ia通过VD1流向负载,在电感能量释放过程中电流ia逐渐减小。同样A相电压为负时,可通过VT1和VT4反并联的二极管VD4对电流ia进行控制。

　　六开关三相PFC原理电路的输入电压是380V,峰值是537V,所以此电路的输出直流电压可升至800V(±400V),此值正是UPS输出三相半桥电路所需要的直流母线电压。

　　4 无输出变压器型UPS的性能优势

　　这里的讨论仅限于是否带输出变压器这两种电路结构的不同而带来的设备性能的差异,不包括下列与产品研制定型和生产水平有关的因素而造成的性能差别:

　　·电路研制定型水平:与技术人员的技术水平、经验和定型流程管理有关;

　　·器件选用差别:与电路定型、成本控制和质量管理流程有关;

　　·产品质量和稳定性:取决于生产工艺水平,与技术人员水平、生产和质量控制流程有关;

　　·产品功能差别:包括是否有并机功能、是否模块化、系统管理与通讯功能、电池配置和管理水平、电路控制差别(CPU还是DSP)、软启动、冷启动、物理结构与可维护性水平等。

　　这些差别与厂商决策人员对设备的研发方向、市场定位、商业取向、成本控制等指导思想有直接的关系。

　　无变压器型UPS的性能优势是针对带输出变压器UPS由于自身的电路结构而不可能达到的固有的缺点相对而言,包括成本、效率、重量和体积等,当然还包括在设备电气性能方面的改进和提高。这些对当前社会提倡的降低能源消耗、节省资源消耗、绿色产品是至关重要的。

　　4.1 高输入功率因数 低输入电流失真度

　　为了完成系统升压功能,PFC整流环节成为“高频机”的重要组成部分和必要条件,但它同时又把UPS输入功率因数提高到理想的数值为0.99,把输入电流总谐波失真度THDI降低到5%以下,所以说输入功率因数高、电流失真度低是“高频机”的主要优点之一,这不仅消除了UPS对电网的谐波污染,它还可以明显地降低前端设备和线缆的容量。表1为两种结构UPS的总电流失真度、总电流有效值和线缆配置要求。

　　从表1中的数据可以看出,由于带输出变压器UPS(例如12脉波整流)的输入功率因数低,输入电流谐波大,其输入电流明显地大于无输出变压器的UPS,增加量在27%左右。前端变压器、断路器和线缆的规格都要相应增大,其中线缆的截面积要增加接近一倍。特别是当输入端有备用柴油发电机时,由于谐波电流和12脉波移相变压器、无源滤波器的影响,UPS与油机容量的配比从无输出变压器UPS的1:1.3增大到1:2～4。

　　表1是输出满负载时的数据,当实际应用中负载减轻时,12脉波整流(+11次无源滤波)的输入功率因数会明显减小,输入电流谐波成分明显增大(见图18),对电网的污染和要求系统前端设备容量增大的影响也就更严重。

　　4.2 工作效率高

　　无变压器UPS的整机效率之所以比带变压器UPS的效率高一些,主要来自两个方面,一是去掉了变压器的损耗,大功率变压器的损耗通常在2%左右;二是系统直流母线电压的提高减少电路电流损耗0.5%左右,如果排除电路设计和生产水平差异因素,电路结构的变化可使整机工作效率提高2.5%左右。表2是一组典型的测试数据。

　　整机效率的提高,不仅可有效地降低能源损耗,还意味着设备本身损耗小,以500kVA的UPS的满载效率相比,无输出变压器UPS的效率提高了2.0%,就相当于机内减少了10kW的发热量。这对提高设备运行的可靠性和降低对环境的要求是有利的。

　　表2数据仅仅考虑了设备本身效率的提高,如果把输入功率因数的提高,而使输入设备(滤波器、开关、线缆等)容量和损耗的降低,以及12脉波整流时的输入变压器的损耗计算在内的话,那么无变压器UPS对整个系统效率的贡献可以超过4%。

　　值得注意的是,在实际使用中,特别是在“1+1”冗余并机和双总线的配置系统中,UPS的实际输出负载率只有30%～40%,这时UPS的工作效率更有实际意义。在这方面无输出变压器UPS同样显示了其优势,如图19所示。

　　从图19可以看出,在25%至100%负载范围内,工作效率基本都恒定地保持在94%以上。

　　(游米儿)