UPS電源的節(jié)能控制與Udc-PWM控制

時(shí)間：2018-11-06作者：北京嘉銘恒達(dá)科技有限公司瀏覽：378

高頻UPS性能好的原因，是整流器采用了SPWMBoostPFC節(jié)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(yīng)用到工頻整流器上，即采用Udc-PWM控制時(shí)，也可以把工頻UPS的性能提高到高頻UPS的水平，說(shuō)明決定UPS性能的不只是UPS的電路結(jié)構(gòu)，而重要的是取決于UPS的控制方式。

對(duì)于高頻與工頻UPS來(lái)說(shuō)，效率與市電輸入電流的THDI是一對(duì)矛盾，例如對(duì)高頻UPS，當(dāng)過(guò)高地追求THDI的指標(biāo)時(shí)，就會(huì)使UPS的效率下降。用高頻化減小高頻UPS的THDI比較方便、*，但消耗的功率較大；用增加相數(shù)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(jìn)方向是如何減小開關(guān)損耗，如應(yīng)用節(jié)能控制或軟開關(guān)技術(shù)；而工頻UPS今后的改進(jìn)方向是如何減小THDI，如用諧波注入法或?yàn)V波技術(shù)。兩種UPS可以相互促進(jìn)，交替發(fā)展。

一般來(lái)說(shuō)：高頻UPS適合于對(duì)體積重量要求小的用戶，而工頻UPS則適合于負(fù)載需要與市電電源隔離的用戶。至于哪一種UPS好，用戶根據(jù)自己的情況自行選擇。

工頻UPS與高頻UPS




大家知道，當(dāng)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(guān)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(guān)鍵，由于控制方式的不同高頻UPS比SCR多相相控工頻UPS具有好的性能，并代表了當(dāng)前UPS的發(fā)展方向，

其主要優(yōu)點(diǎn)是：

1

市電輸入功率因數(shù)可以高達(dá)0.99以上，市電輸入電流的THDI可以小于或等于5%，對(duì)市電電網(wǎng)污染小

2

電能變換，并且受負(fù)載率變化的影響小，整機(jī)效率可以高達(dá)95%

3

對(duì)市電電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以達(dá)到±30%

4

可以不用升壓工頻變壓器，體積重量小




高頻UPS之所以具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，就是由于高頻整流器采用了節(jié)能式BoostPFC控制造成的。把這種理念創(chuàng)造性地應(yīng)用到工頻UPS多相整流器上也同樣會(huì)得到良好的結(jié)果。

IGBT高頻BoostPFC整流器的SPWM節(jié)能控制




高頻UPS與工頻UPS的主要區(qū)別，是市電輸入整流器的不同，高頻UPS采用的是SPWM節(jié)能控制，具有BoostPFC功能的IGBT三相高頻開關(guān)式整流器，這種整流器可以通過(guò)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(shù)只與THDI有關(guān)，而與位移因數(shù)無(wú)關(guān)，這就是高頻整流器市電輸入功率因數(shù)高的真正原因。

典型的高頻UPS是由兩個(gè)三相半橋式逆變器構(gòu)成的如圖1所示。圖的左邊工作在整流狀態(tài)，右邊工作在逆變狀態(tài)是一種可以雙向四象限工作的UPS。它沒(méi)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(shí)現(xiàn)負(fù)載與市電電網(wǎng)的隔離。輸出三相電壓是靠?jī)山M400V的蓄電池和直流濾波電容Cd1=Cd2中點(diǎn)形成的零線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以在控制時(shí)必須要保持正負(fù)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(duì)負(fù)載或負(fù)載中的變壓器是不利的。由于市電電源是三相對(duì)稱電源，所以UPS的輸入較好采用三相三線制，以避免市電輸入零點(diǎn)偏移對(duì)負(fù)載產(chǎn)生干擾。




高頻UPS的工作波形如圖2所示，對(duì)于圖1左邊的整流器電路如圖3所示：由互補(bǔ)開關(guān)Sap、San得到的a相SPWM電壓波形為upa；由互補(bǔ)開關(guān)Sbp、Sbn得到的b相SPWM電壓波形為upb；由互補(bǔ)開關(guān)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u(píng)pa、upb、upc不是三相對(duì)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(guò)，并在電路中產(chǎn)生損耗。但是三相線電壓upab=upa-upb;upbc=upb-upc，upca=upc-upa是三相對(duì)稱電壓，upab+upbc+upca=0，其中upab的雙重傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為：




三種波形作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的節(jié)能控制 

圖3所示三相半橋式SPWMBoostPFC整流器的工作原理在文獻(xiàn)【2】中已經(jīng)做過(guò)了介紹，下面介紹它的節(jié)能控制法。

由圖3可知，它是由三個(gè)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(gè)單相整流器共同向蓄電池充電。整流器中的開關(guān)管IGBT用圖2中的線電壓upab、upbc、upca所示的波形作驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(duì)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(zhuǎn)換流動(dòng)。

對(duì)于a相整流器，當(dāng)ua為正時(shí)San導(dǎo)通，La儲(chǔ)能。在San關(guān)斷時(shí)，La放能，并與電流ia一起向上部的蓄電池組及Cd1充電；當(dāng)ua為負(fù)時(shí)Sap導(dǎo)通，La反向儲(chǔ)能。在Sap關(guān)斷時(shí)，La反向方能，并與負(fù)電流-ia一起向下部的蓄電池組及Cd2充電。對(duì)于b相與c相整流器的工作過(guò)程與a相整流器相同。

節(jié)能控制法的思路是：由于ia+ib+ic=0，是三相對(duì)稱電流，故在實(shí)際控制時(shí)只對(duì)其中兩相電流進(jìn)行控制就可以了，這樣做可以減少1/3的開關(guān)切換次數(shù)，可以節(jié)省1/3的開關(guān)損耗。為了進(jìn)一步節(jié)能，較好的節(jié)能控制法是對(duì)輸入電壓ua、ub、uc中瞬時(shí)值較大一相電壓的
之間的60°區(qū)間不進(jìn)行SPWM控制（因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)間的電流值較大，節(jié)能效果較好），而只對(duì)另外兩項(xiàng)電壓瞬時(shí)值較小的
之間的60°區(qū)間進(jìn)行SPWM控制，這樣做的好處是雖然也是減小了的開關(guān)切換次數(shù)，但卻可以把開關(guān)損耗減小到
節(jié)能控制電路的框圖如圖4所示，電壓調(diào)節(jié)器作為外環(huán)，以保證直流輸出電壓的穩(wěn)定；電流調(diào)節(jié)器較為內(nèi)環(huán)，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(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)Ud1與市電電壓的檢測(cè)信號(hào)ua、ub、uc相乘，產(chǎn)生出三相輸入電流的指令值信號(hào)i*a、I*b、I8c，指令值信號(hào)與輸入電流ia、ib、ic進(jìn)行比較作為電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，通過(guò)電流調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)ua2、ub2、uc2就是SPWM調(diào)節(jié)器的正弦調(diào)制波。將ua2、ub2、uc2經(jīng)過(guò)△/Y變壓器將信號(hào)滯后30°，而后再與載波三角波進(jìn)行比較，所產(chǎn)生的相電壓SPWM波形再通過(guò)減法器相減，使信號(hào)前30°，就可以得到高頻整流器六個(gè)IGBT開關(guān)管的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖2中的ia、ib、ic所示。
為了使相電壓中
之間的60°區(qū)間不進(jìn)行SPWM控制，在圖4所示的節(jié)能控制電路中把圖上部的SPWM線電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形與下面的60°方脈沖在相應(yīng)IGBT開關(guān)管的柵上相加就可以了如圖4中下方“在@點(diǎn)”的波形所示，這樣就得到了
在之間的60°區(qū)間不進(jìn)行SPWM控制的節(jié)能驅(qū)動(dòng)信號(hào)。六個(gè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。


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