刘凤君
　　
　　（中国航天二院北京100039）
　　
　　摘要：本文介绍了高频UPS的一种SPWM节能控制的基本工作原理与控制方法；介绍了工频UPS的一种Udc-PWM控制的基本工作原理喻控制方法。并对典电路进行了优点分析和比较。　　
　　　
　　通过本文可以知道：高频UPS性能好的原因，是整流器采用了SPWMBoostPFC节能控制；工频UPS性能差的原因，是整流器采用了SCR多相相位控制。如果把高频整流器的控制方式巧妙地应用到工频整流器上，即采用Udc-PWM控制时，也可以把工频UPS的性能提高到高频UPS的水平，说明决定UPS性能的不只是UPS的电路结构，而更重要的是取决于UPS的控制方式。
　　
　　对于高频与工频UPS来说，效率与市电输入电流的THDI是一对矛盾，例如对高频UPS，当过高地追求THDI的指标时，就会使UPS的效率下降。用高频化减小高频UPS的THDI比较方便、容易，但消耗的功率较大；用增加相数减小工频UPS的THDI不太方便，但基本不增加消耗功率，所以高频UPS今后的改进方向是如何减小开关损耗，如应用节能控制或软开关技术；而工频UPS今后的改进方向是如何减小THDI，如用谐波注入法或滤波技术。两种UPS可以相互促进，交替发展。
　　
　　一般来说：高频UPS适合于对体积重量要求小的用户，而工频UPS则适合于负载需要与市电电源隔离的用户。至于哪一种UPS更好，用户根据自己的情况自行选择。
　　
　　1 工频UPS与高频UPS
　　
　　大家知道，当前的UPS分为两种：即工频UPS与高频UPS。所谓工频UPS就是采用SCR多相相控整流器的UPS；所谓高频UPS，就是采用IGBT高频开关式SPWMBoostPFC整流器的UPS，两种UPS的逆变器是相同的，都是采用IGBT三相半桥式SPWM高频逆变器。
　　
　　控制方式是决定UPS性能的关键，由于控制方式的不同高频UPS比SCR多相相控工频UPS具有更好的性能，并代表了当前UPS的发展方向，其主要优点是：
　　
　　(1)市电输入功率因数可以高达0.99以上，市电输入电流的THDI可以小于或等于5%，对市电电网污染小。
　　
　　(2)电能变换效率高，并且受负载率变化的影响小，整机效率可以高达95%。
　　
　　(3)对市电电压波动的适应能力强，可以达到±30%。
　　
　　(4)可以不用升压工频变压器，体积重量小。
　　
　　高频UPS之所以具有这么多的优点，就是由于高频整流器采用了节能式BoostPFC控制造成的。把这种理念创造性地应用到工频UPS多相整流器上也同样会得到良好的结果。
　　
　　2 IGBT高频BoostPFC整流器的SPWM节能控制
　　
　　高频UPS与工频UPS的主要区别，是市电输入整流器的不同，高频UPS采用的是SPWM节能控制，具有BoostPFC功能的IGBT三相高频开关式整流器，这种整流器可以通过高频SPWM控制使市电输入电流快速地跟踪市电输入电压，使其在波形与相位上与市电输入电压相同（PFC功能），使市电输入功率因数只与THDI有关，而与位移因数无关，这就是高频整流器市电输入功率因数高的真正原因。
　　
　　典型的高频UPS是由两个三相半桥式逆变器构成的如图1所示。图的左边工作在整流状态，右边工作在逆变状态是一种可以双向四象限工作的UPS。它没有也不必要再用输出升压工频变压器，降低了成本，减轻了体积重量，但不能实现负载与市电电网的隔离。输出三相电压是靠两组400V的蓄电池和直流滤波电容Cd1=Cd2中点形成的零线来实现的，所以在控制时必须要保持正负直流电压相等，以避免在输出零线中有较大的直流分量，这对负载或负载中的变压器是不利的。由于市电电源是三相对称电源，所以UPS的输入最好采用三相三线制，以避免市电输入零点偏移对负载产生干扰。
　　

高频UPS的工作波形如图2所示，对于图1左边的整流器电路如图3所示：由互补开关Sap、San得到的a相SPWM电压波形为upa；由互补开关Sbp、Sbn得到的b相SPWM电压波形为upb；由互补开关Scp、Scn得到的c相SPWM电压波形为upc。由图2可以看出upa+upb+upc≠0，所以upa、upb、upc不是三相对称电压，它们之中都含有零序谐波，即在零线中有零序电流流过，并在电路中产生损耗。但是三相线电压upab=upa-upb;upbc=upb-upc，upca=upc-upa是三相对称电压，upab+upbc+upca=0，其中upab的双重傅里叶级数表达式为：

　　　　
　　　2.1用线电压upab、upbc、upca波形作为驱动信号的节能控制
　　
　　图3所示三相半桥式SPWMBoostPFC整流器的工作原理在文献【2】中已经做过了介绍，下面介绍它的节能控制法。
　　
　　由图3可知，它是由三个单相半桥式SPWMBoostPFC整流器组合而成的：由市电电源ua、及La，Sap、Dap，San、Dan，Cd1=Cd2组成a相半桥式SPWMBoostPFC整流器；由市电电源ub、及Lb，Sbp、Dbp，Sbn、Dbn，Cd1=Cd2组成b相半桥式SPWMBoostPFC整流器；由市电电源uc、及Lc，Scp、Dcp，Scn、Dcn，Cd1=Cd2组成c相半桥式SPWMBoostPFC整流器。三个单相整流器共同向蓄电池充电。整流器中的开关管IGBT用图2中的线电压upab、upbc、upca所示的波形作驱动信号进行SPWM控制，得到市电输入电流的波形如图2中ia、ib、ic所示，可知它们不含零序谐波，是三相对称的
　　
　　　　
　　
　　故整流器可以采用三相三线制输入，不用零线，电流只在三相之间交替转换流动。
　　
　　对于a相整流器，当ua为正时San导通，La储能。在San关断时，La放能，并与电流ia一起向上部的蓄电池组及Cd1充电；当ua为负时Sap导通，La反向储能。在Sap关断时，La反向方能，并与负电流-ia一起向下部的蓄电池组及Cd2充电。对于b相与c相整流器的工作过程与a相整流器相同。
　　
　　节能控制法的思路是：由于ia+ib+ic=0，是三相对称电流，故在实际控制时只对其中两相电流进行控制就可以了，这样做可以减少1/3的开关切换次数，可以节省1/3的开关损耗。为了进一步节能，最好的节能控制法是对输入电压ua、ub、uc中瞬时值最大一相电压的之间的60°区间不进行SPWM控制（因为在这个区间的电流值最大，节能效果最好），而只对另外两项电压瞬时值最小的之间的60°区间进行SPWM控制，这样做的好处是虽然也是减小了的开关切换次数，但却可以把开关损耗减小到
　　　　
　　节能控制电路的框图如图4所示，电压调节器作为外环，以保证直流输出电压的稳定；电流调节器最为内环，以控制输入电流在波形与相位上与市电输入电压相同。电压调节器的输出信号Ud1与市电电压的检测信号ua、ub、uc相乘，产生出三相输入电流的指令值信号i*a、I*b、I8c，指令值信号与输入电流ia、ib、ic进行比较作为电流调节器的输入信号，通过电流调节器使市电输入电流在波形与相位上与市电输入电压相同。电流调节器的输出信号ua2、ub2、uc2就是SPWM调节器的正弦调制波。将ua2、ub2、uc2经过△/Y变压器将信号滞后30°，而后再与载波三角波进行比较，所产生的相电压SPWM波形再通过减法器相减，使信号超前30°，就可以得到高频整流器六个IGBT开关管的SPWM驱动信号如图2中的ia、ib、ic所示。

　　
　　
　　为了使相电压中之间的60°区间不进行SPWM控制，在图4所示的节能控制电路中把图上部的SPWM线电压驱动信号波形与下面的60°方脉冲在相应IGBT开关管的栅极上相加就可以了如图4中下方“在@点”的波形所示，这样就得到了在之间的60°区间不进行SPWM控制的节能驱动信号。六个开关驱动信号的波形、直流输出电流与输出电压波形和三相市电输入电流ia、ib、ic的波形如图5所示。

　　作者简介
刘凤君,研究员,研究方向为航天电源与电力技术,著书11本,发表文章350余篇。

（未完待续）
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