高頻UPS性能好的原因,是整流器采用了SPWMBoostPFC節能控制;工頻UPS性能差的原因,是整流器采用了SCR多相相位控制。如果把高頻整流器的控制方式巧妙地應用到工頻整流器上,即采用Udc-PWM控制時,也可以把工頻UPS的性能提高到高頻UPS的水平,說明決定UPS性能的不只是UPS的電路結構,而更重要的是取決于UPS的控制方式。
對于高頻與工頻UPS來說,效率與市電輸入電流的THDI是一對矛盾,例如對高頻UPS,當過高地追求THDI的指標時,就會使UPS的效率下降。用高頻化減小高頻UPS的THDI比較方便、容易,但消耗的功率較大;用增加相數減小工頻UPS的THDI不太方便,但基本不增加消耗功率,所以高頻UPS今后的改進方向是如何減小開關損耗,如應用節能控制或軟開關技術;而工頻UPS今后的改進方向是如何減小THDI,如用諧波注入法或濾波技術。兩種UPS可以相互促進,交替發展。
一般來說:高頻UPS適合于對體積重量要求小的用戶,而工頻UPS則適合于負載需要與市電電源隔離的用戶。至于哪一種UPS更好,用戶根據自己的情況自行選擇。
大家知道,當前的UPS分為兩種:即工頻UPS與高頻UPS。所謂工頻UPS就是采用SCR多相相控整流器的UPS;所謂高頻UPS,就是采用IGBT高頻開關式SPWMBoostPFC整流器的UPS,兩種UPS的逆變器是相同的,都是采用IGBT三相半橋式SPWM高頻逆變器。
控制方式是決定UPS性能的關鍵,由于控制方式的不同高頻UPS比SCR多相相控工頻UPS具有更好的性能,并代表了當前UPS的發展方向,
其主要優點是:
市電輸入功率因數可以高達0.99以上,市電輸入電流的THDI可以小于或等于5%,對市電電網污染小
電能變換效率高,并且受負載率變化的影響小,整機效率可以高達95%
高頻UPS之所以具有這么多的優點,就是由于高頻整流器采用了節能式BoostPFC控制造成的。把這種理念創造性地應用到工頻UPS多相整流器上也同樣會得到良好的結果。
IGBT高頻BoostPFC整流器的SPWM節能控制
高頻UPS與工頻UPS的主要區別,是市電輸入整流器的不同,高頻UPS采用的是SPWM節能控制,具有BoostPFC功能的IGBT三相高頻開關式整流器,這種整流器可以通過高頻SPWM控制使市電輸入電流快速地跟蹤市電輸入電壓,使其在波形與相位上與市電輸入電壓相同(PFC功能),使市電輸入功率因數只與THDI有關,而與位移因數無關,這就是高頻整流器市電輸入功率因數高的真正原因。
典型的高頻UPS是由兩個三相半橋式逆變器構成的如圖1所示。圖的左邊工作在整流狀態,右邊工作在逆變狀態是一種可以雙向四象限工作的UPS。它沒有也不必要再用輸出升壓工頻變壓器,降低了成本,減輕了體積重量,但不能實現負載與市電電網的隔離。輸出三相電壓是靠兩組400V的蓄電池和直流濾波電容Cd1=Cd2中點形成的零線來實現的,所以在控制時必須要保持正負直流電壓相等,以避免在輸出零線中有較大的直流分量,這對負載或負載中的變壓器是不利的。由于市電電源是三相對稱電源,所以UPS的輸入最好采用三相三線制,以避免市電輸入零點偏移對負載產生干擾。
高頻UPS的工作波形如圖2所示,對于圖1左邊的整流器電路如圖3所示:由互補開關Sap、San得到的a相SPWM電壓波形為upa;由互補開關Sbp、Sbn得到的b相SPWM電壓波形為upb;由互補開關Scp、Scn得到的c相SPWM電壓波形為upc。由圖2可以看出upa+upb+upc≠0,所以upa、upb、upc不是三相對稱電壓,它們之中都含有零序諧波,即在零線中有零序電流流過,并在電路中產生損耗。但是三相線電壓upab=upa-upb;upbc=upb-upc,upca=upc-upa是三相對稱電壓,upab+upbc+upca=0,其中upab的雙重傅里葉級數表達式為:
圖3所示三相半橋式SPWMBoostPFC整流器的工作原理在文獻【2】中已經做過了介紹,下面介紹它的節能控制法。
由圖3可知,它是由三個單相半橋式SPWMBoostPFC整流器組合而成的:由市電電源ua、及La,Sap、Dap,San、Dan,Cd1=Cd2組成a相半橋式SPWMBoostPFC整流器;由市電電源ub、及Lb,Sbp、Dbp,Sbn、Dbn,Cd1=Cd2組成b相半橋式SPWMBoostPFC整流器;由市電電源uc、及Lc,Scp、Dcp,Scn、Dcn,Cd1=Cd2組成c相半橋式SPWMBoostPFC整流器。三個單相整流器共同向蓄電池充電。整流器中的開關管IGBT用圖2中的線電壓upab、upbc、upca所示的波形作驅動信號進行SPWM控制,得到市電輸入電流的波形如圖2中ia、ib、ic所示,可知它們不含零序諧波,是三相對稱
故整流器可以采用三相三線制輸入,不用零線,電流只在三相之間交替轉換流動。
對于a相整流器,當ua為正時San導通,La儲能。在San關斷時,La放能,并與電流ia一起向上部的蓄電池組及Cd1充電;當ua為負時Sap導通,La反向儲能。在Sap關斷時,La反向方能,并與負電流-ia一起向下部的蓄電池組及Cd2充電。對于b相與c相整流器的工作過程與a相整流器相同。
節能控制法的思路是:由于ia+ib+ic=0,是三相對稱電流,故在實際控制時只對其中兩相電流進行控制就可以了,這樣做可以減少1/3的開關切換次數,可以節省1/3的開關損耗。為了進一步節能,最好的節能控制法是對輸入電壓ua、ub、uc中瞬時值最大一相電壓的
之間的60°區間不進行SPWM控制(因為在這個區間的電流值最大,節能效果最好),而只對另外兩項電壓瞬時值最小的
之間的60°區間進行SPWM控制,這樣做的好處是雖然也是減小了的開關切換次數,但卻可以把開關損耗減小到
節能控制電路的框圖如圖4所示,電壓調節器作為外環,以保證直流輸出電壓的穩定;電流調節器最為內環,以控制輸入電流在波形與相位上與市電輸入電壓相同。電壓調節器的輸出信號Ud1與市電電壓的檢測信號ua、ub、uc相乘,產生出三相輸入電流的指令值信號i*a、I*b、I8c,指令值信號與輸入電流ia、ib、ic進行比較作為電流調節器的輸入信號,通過電流調節器使市電輸入電流在波形與相位上與市電輸入電壓相同。電流調節器的輸出信號ua2、ub2、uc2就是SPWM調節器的正弦調制波。將ua2、ub2、uc2經過△/Y變壓器將信號滯后30°,而后再與載波三角波進行比較,所產生的相電壓SPWM波形再通過減法器相減,使信號超前30°,就可以得到高頻整流器六個IGBT開關管的SPWM驅動信號如圖2中的ia、ib、ic所示。
為了使相電壓中
之間的60°區間不進行SPWM控制,在圖4所示的節能控制電路中把圖上部的SPWM線電壓驅動信號波形與下面的60°方脈沖在相應IGBT開關管的柵極上相加就可以了如圖4中下方“在@點”的波形所示,這樣就得到了
在之間的60°區間不進行SPWM控制的節能驅動信號。六個開關驅動信號的波形、直流輸出電流與輸出電壓波形和三相市電輸入電流ia、ib、ic的波形如圖5所示。