基于Delta逆变技术的UPS应用

发布时间：2024-07-06 08:25:39   来源：产品中心

  随着电力电子技术的发展，出现一种全新的UPS（不间断电源）拓扑——Delta 变换型UPS。这种UPS 由两个变换器构成，既保留了传统在线式UPS 的全部在线功能和高质量输出电压，又使得很多关键性能指标得到一定的改善，它不仅消除了对电网的污染，更重要的是输出能力高、可靠性强，能够说是目前比较理想的UPS 系统

  基于Delta 逆变技术的典型产品是APC 公司的Silcon 系列UPS，Delta 逆变技术保持了传统双变换在线式UPS 的全部高性能输出指标的同时，对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破，真正的完成了零转换时间和高输入功率因数，大幅度的降低了对电网的污染程度[2]。电路结构采用串并联的高频双向变换技术[3]。虽然传统在线式的技术已非常成熟，但由于本身带有许多无法突破的问题，发展受限[4]。高频化概念的引入，给UPS 的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3 kVA（千伏安）及以下的高频率在线式UPS 的技术和产品己经成熟，其功能和可靠性均高于传统UPS，高频率对于减小体积、减少相关成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用[5]。

  虽然Delta 变换式UPS 具有输入频率不可变，抑制浪涌的性能比较差等缺点，但是和双变换式UPS 相比，还是体现了自身的一些特色：Delta 变换器相当于一个DVR（串联型动态电压调节器），不仅能补偿市电和负载的电压差值，还可以对市电电压的谐波、闪变、三相不对称等进行补偿，甚至还能对功率因数进行校正。APC 公司Silcon 系列UPS 采用Delta 变换器，具有料耗省，效率高等优点，其在性价比上极具优势。

  在分析该UPS 的工作原理之前，必须先了解一种带串联电压补偿器的在线互动式UPS，其主电路结构如图1所示。

  变压器T1 从变压器T2 上取电压，经过隔离后补偿Vin，通过触点S 的移动来调节补偿电压的大小和正负，从而稳定Vout。该UPS 主要对Vin 的过压和欠压进行补偿，由于电流处于不可控状态，所以此UPS 没有谐波的抑制能力，没有很好的过载保护功能，当然也无法对功率因数进行校正，加上Vout 的调整是依靠机械触点来完成的，所以输出电压的精度也很差。未解决以上问题，采用电流可控的Delta 变换器，成功地克服了上述缺点，并利用了这种在线式UPS 效率高，成本低的优点，其主电路结构如图2 所示。

  为了方便控制，不需要把Vout 和Vin 的差值作为主要的控制对象，而是用主逆变器直接产生输出电压Vout，Delta 变换器被动补偿Vout 和Vin 的差值，控制输入电流，起抑制谐波和校正功率因数的作用。为对付不对称的负载，采用三相独立控制的策略。

  从主电路可知，UPS 由主路和旁路两个静态开关、共用直流母线的Delta 逆变器和主逆变器、串联的Delta变压器组成。主路上的静态开关STS1 控制开机时的电容充电、输入掉电时的保护、主路和旁路的切换，以及转电池的工作过程。两个逆变器的作用如下所述。

  ①在Vin 频率和电压允许波动的范围内，提供相位和频率与Vin 相同的输出电压Vout；

  ②作为一个电压源，具有很小的内阻抗，在Delta变换器的作用下，可以被动地补偿谐波电流；

  ①控制输入电流，实现电池充电、输出负载电流和主逆变器补偿电流之间的平衡；

  ③作为一个电流源，具有很大的阻抗，主逆变器稳压的作用下，可以被动地补偿谐波电压和输入波动造成的电压差；

  ④输入过压时，通过Delta 变换器给电池充电，如果电池是满的，则多余的能量通过主逆变器供给负载；

  ⑤输入欠压时，加大逆变器的输出电流，让主逆变器从回路中吸收多余的能量供给电池，并传递给delta变换器。

  如果变压器二次侧Load1 为纯电阻负载，则Vin 和I1、I2 同相位，Vin 的输出功率因数为1，能量从Vin 向Load1 传递；如果变压器二次侧为Power，一次侧为电阻负载Load2，则I2 和I1 一样同相位，能量从Power向Load2 传递，Power 的输出功率因数仍然为1。

  上述变压器的两种工况对应于Delta 变换器工作时的VinVout 和VinVout 两种情况，不同的地方是图3 中的Load1 和Power 都是Delta 逆变器，而图3 中的Vin 则是图2 中的Vin －Vout。Delta 逆变器的任务是产生与图3 中Vin 同相位的电流I2，由于Vin 和Vout 也同相位，所以I1 和Vin －Vout、Vin 都是同相位的，以此来实现功率因数校正的目的。图4 是DP310E 在一个工况下的工作波形。a 图中CH1 为Delta 变压器一次侧流经的电流I1，CH2 为Delta 变压器二次侧流经的电流I2，CH3 为输出电压Vout，CH4 为Delta 变压器一次侧两端的电压；b 图中CH1 为主逆变器输出电流，CH2 为UPS 输出电流Iout，CH3 为输出电压，CH4 为CH1 －CH2 的波形（即输入电流波形）。由于测试的时候，I1和I2 是按同名端的输入来测的，所以相位是相反的。图b 说明主逆变器为一个很好的并联型有源滤波器，提供无功和谐波电流，这个电流和Iout 组成波形为正弦，相位和Vin 一致的Iin，完成功率因数校正的功能。

  图4Vin＝190 V，48 Hz，带70％对称整流滤波负载下的工作波形图

  很明显，I2 和I1 的比例就是变压器的变比，由于Delta 变压器在主电路中只承担最大15% 的额定电压（取Vout），所以选二次侧为升压的设计，这样做才能够取较小的I2，选择电流较小的功率模块节省本金。UPS 的Delta 变压器变比为1:5，逆变器的功率模块是MG15Q6ES42（15 A/1200 V）。从Vout 为交流220 V可以推算出Delta 变压器的参数： 一次侧标称电压33 V，二次侧标称电压165 V，容量为500 VA，铁心材料为硅钢片。

  谐波的抑制：对一个变压器而言，要使其输入消耗的电流最小，只有一种办法：空载。所以在Vin 存在谐波含量的时候，Delta 逆变器仍然只输出基波电流，由于谐波电压没有谐波电流的消耗，Delta 变压器一次侧的谐波电压相当于遇到空载励磁阻抗，谐波电流很小。

  ①静态开关STS1 的软启动：逐渐增大其导通角，主路通过Delta 变压器T 的一次侧和主逆变器的输出滤波电感L，以及主逆变器中的续流二极管对电容器C 进行充电，直到STS1 完全开通，电容器电压升至±311 V，这样的一个过程Delta 逆变器和主逆变器均未工作。

  ②主逆变器的高频整流继续给电容器充电：这样的一个过程是为满足64 节蓄电池所需的±360 V的电压要求。

  ③电容器电压升到±360 V 时，系统通知电池开关合闸，开始步入一分钟的等待，这时主逆变器继续整流充电，充电结束时的直流母线电压与Vin 有关，最大不超过设定的438 V。

  ④一分钟的等待结束后，系统显示system off，提示机器可以启动，这时STS1 关断，如果不按下启动按钮，则电容器上的电荷会通过并联的电阻逐渐消耗，最终出现Low DC Shutdown。（为何需要这么做）

  ⑤启动：按下启动按钮，电池开始建立Vout（在Vout 建立之前，STS1 和Delta 逆变器仍然是关断的）。Vout 建立起来后，STS1 和Delta 逆变器开启，结束开机。

  ①Vin 200 V。这是因为在Vin Vout 条件下开机时，Delta 变换器需要从二次侧向一次侧传输能量，这个能量只能由电容器提供，而这时电容器已经给主逆变器提供能量，造成电容器电压严重下降，出现Low DC Warning 和Low DC Shutdown 关机。

  从前面的分析可知Delta 变压器具有能量在两侧双向流动的功能，I2 永远与Vin 同相位，如图5 所示。Delta 变换器的运行分四种工况。

  Vin Vout：能量从Delta 变压器一次侧向二次侧传输，Delta 逆变器相当于一个纯电阻负载，这个负载消耗的能量是给电池充电或者给主逆变器输出，能量流如图6 所示。

  Vin Vout：能量从Delta 变压器二次侧向一次侧传输，Delta 逆变器相当于一个发电机，提供最大15％的补偿能量，由于Iin、Vin 与Vout 严格同相位，所以此发电机相当于带一个电阻负载，Delta 逆变器的输出电流也必然是正弦基波，能量流如图7 所示。

  从图6 和图7 能够准确的看出，Delta 变换器是用15％的能量控制100％的能量流动。

  Vin =Vout ：Delta 变压器两侧电压为零，电流是基波，有效值由负载电流和电池充电电流决定，Delta 变压器两侧呈现很低的漏阻抗，能量流如图8 所示。

  从图11 能够准确的看出，Iin、I2 随Vin 的增大而减小，因Iin还控制着输出电流和电池充电的平衡，所以Delta逆变器的输出电流I2 的受控量为：Vin －Vout、Iout 和电池电压Vdc。

  在UPS 工作中，Delta 逆变器都必须要提供与Iin 相对应的基波电流I2，否则在主逆变器的作用下，Delta变压器表现不了所需要的电流源性质，而使能量流发生明显的变化。如果通过I2 控制的Iin 有效值小于Iout 有效值，必使得主逆变器输出电流加大，这种工况适合于Vin Vout，或者过载时电池和Vin 联合供电的方式；如果I2 控制的Iin 有效值大于Vout 有效值，则必有Vin Vout，或者Vin =Vout 时电池充电。由于Delta 变压器一次侧的额定电压是33 V，所以在Vin 出现短路的情况下，STS1 一定要尽快关断，才能稳定Vout。

  [1] 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2004.

  [2] 刘凤君.Delta 逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

  [3] 刘胜利,严仰光.现代高频开关电源实用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.