刘凤君
　　
　　（中国航天二院北京100039）
　　
　　摘要：本文介绍了UPS绿色革命的改革方法和改进技巧。
　　　　
　　

　　2 UPS的输出逆变器
　　
　　UPS输出电压的谐波是由逆变器产生的，产生谐波的多少与所用逆变器的电路型式与控制方式有关。
　　
　　当前对逆变器的研究有两个方向：一个是对两电平SPWM逆变器的研究，对于这种逆变器可以采用提高SPWM开关频率的方法来减少谐波的产生。由于开关频率的提高必须要用高频开关器件做开关，并且还要用软件技术来减少开关损耗。因此这种减少谐波的方法对高频IGBT的生产水平和软开关技术的发展有很强的依赖性。另一个是对多电平逆变器的研究，对于这种逆变器可以采用提高输出电压电平数的方法来减少谐波的产生。由于开关频率较低，可以不用高频开关器件作开关，由于开关损耗较小，所以也不必采用软开关技术。
　　
　　(1)三相半桥式两电平SPWM逆变器
　　
　　当代UPS，由于所采用的输入整流器的不同分为工频UPS与高频UPS两种，对于这两种典型的大、中功率UPS多数采用的是三相半桥式SPWM逆变器，以便于三相输出和调压。其电路与工作波形如图3所示，

可以看出这是一种两电平逆变器，它的输出电压双重傅里叶级数表示式为
　　
　　
　　
　　
　　
　　用式(4)计算出相电压uAO的基波，载波谐波及其载波谐波的上、下边频的幅值，并画出它的频谱及UAon/UAon1与M的关系曲线如图4所示。

由图4可以看出：相电压UAo的谐波含量是比较大的，其中尤其是当M<0.8和m=1时，载波谐波的幅值比基波幅值还要大。当M=0.5时，载波谐波的幅值为基波幅值的2倍。UPS用户使用的又多是相电压uAO，这种过大的载波谐波电压幅值，有可能对用户负载造成破坏，因此必须用交流滤波器滤除，这样不仅仅增加了UPS的体积重量，也减小了UPS的瞬态反应能力。所以用高频化来提高三相半桥式逆变器的消谐波能力并不是一种理想的选择。
　　
　　用式(5)算出线电压uAB的基波与载波谐波的幅值，并画出它的频谱如图5所示。

由图5可以看出：线电压uAB的谐波含量和载波谐波的幅值都比相电压小很多，可以利用。
　　
　　(2)三相半桥式两电平SPWM逆变器的消谐波方法
　　
　　由于三相半桥式SPWM逆变器的输出相电压的谐波含量较大，谐波的幅值也大，当其在UPS中应用时必须采用附加的消除谐波法。适合于三相半桥式SPWM逆变器的消谐波方法有三种：一种是前面提到的高频化法，此法是利用提高开关频率的办法将谐波频率提高，用减小低次谐波的办法来减小输出电压的谐波含量。此法的优点是可以调压，缺点是只能提高谐波的频率，而不能消除谐波，而且是一种用增加开关损耗来减小谐波的方法，开关频率越高，谐波含量越小，开关损耗越大；另一种方法是多重叠加法，此法是利用N个三相半桥式逆变器的输出线电压依次移开π/N相位角，用电压之间的相位角之差来消除一些低次谐波。这种方法的优点是可以消除一些低次谐波，不增加开关损耗，可以消除载波谐波幅值过高的特点，缺点是必须要用输出叠加变压器，而且不能调压。第三种方法是上述两种方法相结合的级联叠加法，它是用载波三角波依次移开2π/N相位角，用相同的正弦调制波进行调制来消除基波谐波的一种方法，此法的特点是综合了高频化法与多重叠加法的优点的一种消谐波法，用这种消谐波法既可以消除谐波，又可以扩容，是一举两得的好方法，是逆变器绿色革命的主要手段。三种消谐波方法的比较如表3所示。
　　
　　3 高频UPS的出现
　　
　　为了提高UPS的市电输入功率因数，提高UPS的整流效率、减小UPS的体积重量，于1994~1996期间出现了高频UPS。这种UPS实质上就是将UPS中的工频整流器换成了高频整流器构成的，其典型电路如图6所示(未画旁路电路)。

由图6可以看出，这种UPS电路特点是由两个三相半桥式SPWM逆变器反向串联组合而成的。其工作原理是利用了三相半桥式SPWM逆变器的交流四象限工作，直流两象限工作，可以双向进行电能变换，既可以整流，又可以逆变的特性工作。
　　
　　典型高频UPS电路结构形式有如下特征：
　　
　　①是两个三相半桥式逆变器的反向串联组合而成的。
　　
　　②输入是高频开关整流器，输出是三相半桥式逆变器。
　　
　　③不用输入整流变压器，也不用输出隔离变压器。
　　
　　④用高频低损耗IGBT作开关管，开关频率≥20kHz
　　
　　高频UPS与工频UPS比较具有如下优点
　　
　　①体积重量小，重量只相当于同容量工频UPS的60%。
　　
　　②高频Boost开关整流器，可以把市电输入功率因数提高到0.99以上，市电输入电流的谐波含量可以减小到5%以下，输入整流器与输出逆变器具有相同的SPWM交流电压波形和消谐波能力。
　　
　　③由于高频Boost开关整流器具有较强的直流输出电压调节能力，因而对市电电压波动的适应能力较强。
　　
　　④由于没有输出隔离变压器，所以扩容并机环流很小。
　　
　　⑤可以消除可闻噪声（电噪声和机械噪声）。
　　
　　⑥输入电能的功耗比工频机小4%左右。
　　
　　从以上的优点可知，高频UPS比工频UPS具有更好的性能，和更好的环保节能效果，是UPS在绿色革命进程中由工频进入到高频的阶段性进步。
　　
　　通过仔细的研究发现：图6所示的高频UPS也还存在一些缺点：一是三相半桥式SPWM逆变器的消谐波能力不够强，二是单纯的高频化会在UPS的研制过程中遇到难以克服的困难。具体缺点如下：
　　
　　①三相半桥式SPWM逆变器是两电平逆变器，它的输出相电压含有较多的谐波，谐波的幅值也比较高如图4所示，当M<0.8时载波谐波的幅值比基波还大，在M=0.5时，载波谐波的幅值是基波幅值的2倍多，在有死区时谐波的含量会更大，有碍于用户负载的可靠使用。
　　
　　②由于高频化所产生的集肤效应和邻近效应，使导体的电阻增大，使输出隔离变压器的研制会遇到材料与工艺等技术上的困难而无法生产。
　　
　　③由于高频效应，使电路的电感、电容的性能发生质变，影响了软开关的应用，或干脆不用软开关。
　　
　　④高频化使电路的分布参数增大，分布电容和分布电感容易引发电路的局部谐振，增大了UPS的电磁兼容设计和整体结构设计的难度，一般厂家不易生产。
　　
　　⑤由于不能用软开关，所以高频化必然会引起开关损耗的增加(tr与tf为开关电流的上升与下降时间，Ion为流过开关的电流)。开关频率越高，开关损耗越大。所以高频化是以增加开关损耗为代价的，只注意了环保而牺牲可节能。
　　
　　由上述的缺点可知，高频UPS只能算是UPS绿色革命中的一个较大的进步，还不能达到绿色革命的效果。因此把高频UPS说成是绿色UPS的发展方向还不够准确。
　　
　　4 高频UPS的级联叠加法
　　
　　UPS级联叠加的作用三个：一是提高UPS的消谐波能力，二是减少开关损耗，三是扩容。
　　
　　UPS高频化的目的是想通过提高开关频率，用提高谐波频率的方法来增加UPS的消谐波能力。因此希望开关频率越高越好，但开关频率提高引发的高频效应越大，开关损耗也越大，解决这对矛盾的方法，就是采用高频UPS的级联叠加法。由三相半桥式逆变器输出电压式(4)可知，高频UPS中三相半桥式SPWM逆变器产生的最低次谐波为mF次谐波，因此提高谐波频率的方法有两个：一是用高频化提高逆变器的开关频率fs，通过增大载波比的方法来提高谐波频率。在没有用软开关的UPS中，这种方法是以增加开关损耗为代价的方法，而且谐波频率提高数量也比较小；二是用逆变器的级联叠加法，通过N个逆变器的级联叠加，将m增加N倍的方法来提高谐波频率。这种方法既不增加开关损耗，又能使谐波频率提高N倍。所以当前高频UPS改进的方法就是级联叠加法，此法可以克服前面提到的高频UPS的诸多缺点，和在研制过程中所能遇到的一切困难。
　　
　　所谓高频UPS的级联叠加法，就是用N个载波三角波移相SPWM控制(PSCPWM)的高频UPS进行并联级联叠加，其电路如图7所示。

图中L为输入Boost储能电感，也是交流输入滤波器，L相应的电抗X=ωL。N个高频UPS中三相半桥式SPWM逆变器的载波三角波为uc1，uc2，…，uCN。它们的初相位角α依次滞后，并用相同的三相正弦波进行调制，则各高频UPS的输出电压具有相同的基波。以A相为例，其并联级联叠加的输出电压uA的表示式可以由下式求出：
　　
　　　　
　　

　　式(11)和式(12)说明：高频UPS的级联叠加法是一种把m增加N倍，通过提高总合等效开关频率NmF来使UPS高频化的，它不仅仅把谐波频率提高了N倍，而且当N=偶数时还消除了载波的谐波，只剩下将幅值减小到、m=偶数，n=奇数的载波谐波上、下边频的谐波。比单纯提高开关频率的高频化法具有如下优点：
　　
　　①消谐波能力比单纯高频化增大了N倍。
　　
　　②不增加开关损耗，这种级联叠加法，虽然把开关管的数量增加了N倍，但使流过开关管的电流减小了N倍，所以不增加开关损耗。
　　
　　③并联级联叠加法，可以把高频UPS的容量增大N倍，为利用小功率IGBT生产出大容量的高频UPS创造了条件。
　　
　　④可以把各个高频UPS的开关频率限定在不产生高频效应(集映效应，邻近效应，不使软开关电容、电感发生质变，不使电路分布参数发生明显增加)的程度上，可以使高频UPS能够使用输出隔离电压器，能够采用软开关技术，能够不增大电磁兼容设计与总体设计的难度。假定把单个高频UPS的开关频率限定在不产生高频效应的10kHz时，则4个高频UPS的级联叠加的总合等效开关频率可以高达40kHz。比用单机高频化把开关频率提高到40kHz的难度要小得多，而且又不增加开关损耗。
　　
　　由上述的优点可知：高频UPS的级联叠加法是一种一举数得的好方法，是UPS绿色革命的主要方法。单纯用增加开关频率的高频化法，是以增加开关损耗为代价的消谐波法，不是UPS绿色革命的好方法，只有与级联叠加法相结合，才是最适用的UPS绿色革命法。(未完待续)

【红尘有你】