大功率UPS的原理.doc

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1、摘要：本文通过大容量工频UPS和高频UPS进行原理分析、拓扑对比、实测数据分析和性能对比，全面总结了大功率工频UPS和高频UPS的优缺点和选配原则。   一、工频机和高频机的定义和原理分析   UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。   典型的工频UPS拓扑如下：   图1：典型工频UPS拓扑   主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属

2、于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。   由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。   同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300V~500V之间，可直接

3、挂接三十几节电池，不需要另外增加电池充电器。   按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。6脉冲整流拓扑如下：   图典型6脉冲拓扑   12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。   下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。   图典型12脉冲整流器示意图   6脉冲和12脉冲的详细技术分析可参见《大功率UPS6

4、脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别》。   高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz,甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频,称之为高频UPS。典型的高频机拓扑如下：   图2：高频UPS拓扑图   高频UPS整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值高，一般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节，这样给实际应用带来极大的限制。因此一般高频UPS会单独配置一个电池变换器，市电正常的

5、时候电池变换器把母线800V的母线电压降压到电池组电压；市电故障或超限时，电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出相电压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。   二、工频机和高频机的性能对比   随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世。中小功率段的UPS产品正逐步高频化，高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向中大功率过渡推进的过程中。高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点，并影响到UPS的安全使用和运行。   1）零偏故障。   

6、某型号大容量三相高频UPS拓扑如下：   图3:某型号四桥臂高频机拓扑   从图3可知，UPS主路输入是三相四线（相线+零线），整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合，零线断开时。如果UPS输出端接不平衡负载，当零点参考点突然消失，将造成严重的UPS输出零偏故障，进而导致UPS后端负载设备的损坏，输出闪断等重大故障。如果A、B、C、零线同时中断。这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程，此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作，在特定工况下（电压过零点，非同步切换时）可能造成

7、负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作，在零线断开时，UPS可以保持正常供电。   2）零地电压抬升和电池架带电问题。   从图2和图3可以看到，大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点，此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成负载端零地电压抬高，很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。   某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构，变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量，在现场实测数据如下图：   可以明