一、引言

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源系統(tǒng)，是一種含有儲(chǔ)能裝置（通常為蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒電壓、恒頻率輸出的不間斷電源系統(tǒng)。主要應(yīng)用于要求設(shè)備24小時(shí)供電的場合，如通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備等。當(dāng)市電中斷（事故停電）時(shí)，UPS立即將機(jī)內(nèi)儲(chǔ)能裝置的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方式向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

二、UPS系統(tǒng)介紹及過程分析

圖1是個(gè)非常典型的UPS在地鐵中的應(yīng)用，從上圖中可以明顯看到，該系統(tǒng)包含配電柜、UPS電源和外置維護(hù)開關(guān)，終端負(fù)載為各機(jī)電系統(tǒng)，如信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。配電柜的作用是對用電設(shè)備進(jìn)行配電和控制，在電路出現(xiàn)過載、短路和漏電時(shí)，配電柜還可以進(jìn)行斷電保護(hù)；外置維護(hù)開關(guān)主要是在維護(hù)檢測過程中閉合，旁路掉UPS的電路，使電能從外置維護(hù)開關(guān)的電路上通過，實(shí)現(xiàn)了在保證后端負(fù)載能夠得到正常供電的情況下不影響對設(shè)備的維護(hù)；在市電異常，配電柜斷電的情況下，UPS電源通過儲(chǔ)能裝置給后端的設(shè)備供電。  UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2，主要由五部分組成：電源輸入電路，進(jìn)行AC/DC變換的整流器，進(jìn)行DC/AC變換的逆變器，輸出切換電路以及蓄能電池。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的。凈化功能由儲(chǔ)能電池來完成，由于整流器對瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流能量的功能外，對整流器來說就像接了一只大容量電容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開關(guān)，檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。

下面結(jié)合UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析市電供電和斷電兩種狀態(tài)下UPS的工作過程：

1、市電正常時(shí)，交流電通過主電輸入端口，交流電輸入經(jīng)整流濾波變換成直流后，再通過SPWM逆變器逆變，然后交流電供給輸出，最后通過逆變靜態(tài)開關(guān)切換到用戶負(fù)載，形成整個(gè)供電的通路。在UPS系統(tǒng)中，之所以在市電供電的情況下還需經(jīng)過整流、逆變等電路，而不是直接由市電給后端的用戶負(fù)載供電，其目的是提高供電、用電的質(zhì)量。同時(shí)，通過整流后的直流也給予電池組充電，詳細(xì)過程見圖3，工作路線見圖中的標(biāo)示。

2、當(dāng)市電異常（斷電）時(shí)，主電輸入端口已經(jīng)沒有電能輸入，而是由電池輸入，通過SPWM逆變器逆變出交流電供給輸出，通過逆變靜態(tài)開關(guān)切換到輸出給用戶負(fù)載，完成整個(gè)供電的通路。詳細(xì)過程見圖4，工作路線見圖中的標(biāo)示。

初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應(yīng)該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。逆變器電路技術(shù)演變過程的一個(gè)顯著的表現(xiàn)形式是：是否必須用變壓器，如何配置變壓器，是否可能去掉變壓器。

圖1是20世紀(jì)70年代生產(chǎn)的第一代三相UPS的典型電路結(jié)構(gòu)形式.

圖1所示的UPS包括一個(gè)由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個(gè)與整流器相并聯(lián)的、由自耦變壓器的輔助二次側(cè)繞組供電的可控硅電池充電器。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)靜態(tài)開關(guān)可將電池組連接到直流母線上供電。

逆變器由4個(gè)三相逆變器以全波方式運(yùn)行（按照基波頻率進(jìn)行換向），每一個(gè)三相逆變器都與變壓器的一次側(cè)繞組相連接（三角形連接），再把這些二次側(cè)繞組開放式變壓器（Open Phase Transformers）的二次側(cè)以一定方式進(jìn)行連接，以獲得合成的輸出電壓。這4個(gè)變壓器被分為兩組，每一組都包含一個(gè)星形和一個(gè)Z形（曲折星形）的二次側(cè)繞組，這兩個(gè)二次側(cè)繞組之間具有30°相位差。這一特殊的連接可消除n=6k±1（k為奇數(shù)）次的電壓諧波，這等效于12脈沖整流器中的兩個(gè)移相式繞組在變壓器一次側(cè)中可抵消5、7次諧波。對于在變壓器一次側(cè)繞組中每相可能出現(xiàn)的3次和3n次電流諧波，由一次側(cè)繞組的三角形接線方式來抵消。因此，輸出端首先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調(diào)整是通過移動(dòng)兩組變壓器之間的相位（0<φ<180°）來完成的。由于首先需要濾除的是第11次諧波，所以輸出濾波器的尺寸較小，這使得逆變器對負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性加快。

以可控硅（晶閘管）為基本功率器件的電路存在著換相安全和功率損耗的問題，為減少電路的能量損失和改善控制功能，下一代系統(tǒng)開始使用一種新的脈沖電路，每個(gè)晶閘管都有其相應(yīng)的滅弧電路。整個(gè)設(shè)備僅需兩個(gè)變壓器，如圖2所示。為消除n=6k±1（k為奇數(shù)）次的諧波，只需要一組相位相差30°的逆變器，而這30°的相移是預(yù)先設(shè)置好的，并在每臺(tái)變壓器一次側(cè)以“脈沖寬度調(diào)節(jié)”的方式（PWM）來實(shí)現(xiàn)對電壓的調(diào)整。為達(dá)到預(yù)期的輸出電壓，可以將上述換向電路應(yīng)用于每周期6次固定換向的基本脈寬調(diào)制電路（PWM）。

變壓器的數(shù)量從4個(gè)減少到2個(gè)，但為了能進(jìn)一步減少變壓器的數(shù)量，就不得不提高逆變電路的性能，以便通過優(yōu)化PWM就能達(dá)到目的，而無需再使用兩組變壓器的耦合方式。以前使用兩組移相30°的變壓器是為了減小低次諧波（5、7次），因?yàn)樗麄兊姆递^大，要濾除他們比較困難。只用一個(gè)變壓器的UPS如圖3所示。電路中，變壓器的二次側(cè)繞組為曲折星形連接，每個(gè)逆變器以基波的7倍頻率來斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波，在設(shè)計(jì)時(shí)以盡可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標(biāo)。輸出電壓的調(diào)整是通過移動(dòng)兩組逆變器橋之間的相位進(jìn)行的。

自20世紀(jì)80年代起，UPS逆變器開始只含有一個(gè)變壓器。同時(shí)，隨著功率半導(dǎo)體器件的革新，雙極型功率晶體管以及電子控制級(jí)的IGBT等功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，逆變電路中的可控硅器件被取代（見圖4和圖5），但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續(xù)且一直持續(xù)到二十一世紀(jì)伊始，其間雖然在1995年出現(xiàn)了無變壓器的逆變器結(jié)構(gòu)，然而此類產(chǎn)品僅適用于功率小于等于30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導(dǎo)體器件換向時(shí)的損耗較大，而較高的耐壓要求又使得人們很難在不用變壓器的條件下成功地制作出大容量的逆變器。

APC的解決方案配備了自動(dòng)檢測斷路器大小、PDU電路位置和分支電流監(jiān)控功能，為用戶帶來更多實(shí)用的好處。這些功能與英飛解決方案的容量和變化管理模塊兼容，更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分支電流設(shè)置、調(diào)整和平衡功能。

圖4的逆變器采用IGBT器件，變壓器二次側(cè)繞組采用星形連接。每個(gè)一次側(cè)繞組都連接到兩個(gè)逆變器支路的中點(diǎn)，組成實(shí)際上是三個(gè)單相全控制的逆變器橋。因此，在二次側(cè)繞組上得到的電壓是獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)的，這可有效地確保輸出電壓的良好平衡，而不管三相負(fù)載電流是否處于平衡狀態(tài)。使用橋式組件的連接方式可使每個(gè)支路的變換頻率相對于標(biāo)稱變換頻率減小1/2，這樣每個(gè)支路都只在正弦波的1/2個(gè)周期內(nèi)工作。

圖5只有一個(gè)逆變器（三相全橋），此變壓器的耦合方式采用一次側(cè)三角形/二次側(cè)曲折星形連接。這種連接方式可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)額外的功能。首先，它可以實(shí)時(shí)（即刻、瞬間）地調(diào)節(jié)每相的輸出電壓，而各相輸出電壓都與逆變器的逆變支路相對應(yīng)。此外，變壓器二次側(cè)的Z形連接所吸收的負(fù)載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側(cè)繞組，使這些諧波電流只在一次側(cè)繞組內(nèi)流動(dòng)，這樣，可降低IGBT的換向電流，從而減少了換向損耗。

以上所述就是逆變器中的變壓器是如何逐步發(fā)展演變的過程。

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