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n+x模块化UPS的应用及前景(3)
  • 当前数据中心建设如火如荼,具有关方面统计,到2012年数据中心机房可达53.2万个。可见用电量之大不可忽视。
  • 但由于接地线的加入改变了电流的路径:电流由N出发就直接到了负载R的下端,又由于逆变器功率管VT3的开启,使电流不能经过负载R,而是直接经过整流管VD4回到L。这样一来,电流没有经过任何负载,两个管子的导通形成了短路状态,如图5(b)的等效电路所示,即使管子的内阻和导线电阻不为零,但已远远小于1,而且管子的功率越大则内阻也越小,加粗后的导线电阻也越小。比如一台1kVA的UPS,逆变器的效率为90%,即消耗100W,取五倍的功率管,即500W/50A,设短路电阻为0.1(实际上比这个值小得多),这时的短路电流就是2200A,强大的电流在管子的PN结上会产生强烈的焦耳热量,一方面会使截面积不相称的引线起火甚至烧断,一方面在PN结上的剧烈高度焦耳热也会使管子像炸弹那样炸裂。在上个世纪90年代由某公司进口品牌为Vactron牌UPS,由于没有输出隔离变压器,在用户输入端接地时几乎都形成了爆炸。其爆炸的根本原因是全桥逆变的输出两条线都是火线。

    无奈只好在UPS输出端外加变压器,如图6所示。从图中就可以看出,全桥电路后面加了隔离变压器后,UPS内部电流的恢复了正常,即电流通过变压器的初级绕组就流经了全部的整流管和逆变管。而变压器次级绕组接地则对电路不产生丝毫影响。至于三相UPS在全桥逆变器的情况下就更应该在输出加隔离变压器,其原因是除了上述理由外,另一个根本的原因就是它的三条(而且也只能是3条)输出线也都是火线。而用户的要求是带有零线的三相四线制供电模式,因此变压器是肯定要加的。如图7所示。

    三、现代n+x模块化UPS采用的电路结构
      
      现代n+x模块化UPS采用的就是最新的高频调制半桥电路。那为什么板桥电路就可取消输出变压器呢?难道它的两条输出线(对单相而言)就不是两条火线吗?为了说明这个问题,就用图8来进行讨论,图8示出了单相半桥逆变器的电路结构。从图中可以看出,原来全桥时一个桥臂的两个功率管换成了两个直流电源GB1和GB2,而且在两个电源之间的一条引线就是零线,这时电路的工作也和全桥时不同了,再也不是对角在线的两个管子输出半波。下面就来介绍他的工作原理

    1.产生正半波的过程:
      
      变换器在脉宽调制信号PWM的控制下,功率管按照上述频率开通和在测量信号的监视下关断。比如VT1在某一时刻t=t1被控制信号打开,电流的路径如图8(a)所示,电流从GB1出发V1—>L—>C和与其并联的负载的上端—>回到GB1-,在这个过程中,电池除了向负载提供能量外,对于电感L也是一个储能过程。V1的导通时间到在每一次导通结束时,储存了能量的电感L在V1快速关断的激励下产生高压反电势来阻止电流的突然变化,其反电势的正极方向就是原来电流的方向,但此时的泄放回路如图8(c)所示:电流由L+出发—>C和与其并联的负载的上端—>GB2+—>GB2—>VD2—>回到L-,在这个过程中L将储存的能量回授给了GB2。V1的每一次导通结束后都要伴随着一个回授过程,这就出现了图2-21(d)中第二个象线阴影中的波形。这时的电流方向仍然是由电路指向负载。到此,一个建立正半波的全部过程已经完成,由于PWM波输出的后面是LC滤波器,所以正半波的包络就被显现出来了,如图8(d)第一象线的阴影部分所示。

    2.产生负半波的过程

    产生正半波的过程结束后,就进入产生负半波过程。PWM控制信号开始触发V2,第一个控制脉冲使V2导通,电流Iout的路径如图9(a)所时,即:电流Iout从GB2+出发C和与其并联负载的下端LV2回到GB2-。可以看出,此时的电流方向与产生正半波时相反,是由负载指向电路;这时在电感L上是一个储能过程。和产生正半波时一样,在每一次PWM的导通结束时,储存了能量的电感L在V2快速关断的激励下产生高压反电势来阻止电流的突然变化,其反电势的正极方向就是原来电流的方向,但此时的泄放回路如图9(c)所示:电流由L+(靠近电路的一端)出发:VD1GB1+GB1-C和与其并联的负载的下端回到L-(靠近负载的一端),在这个过程中,L将储存的能量回授给了GB1。V2的每一次导通结束后都要伴随着一个回授过程,这就出现了图9(d)中第四象限阴影中的波形。这时的电流方向仍然是由电路指向负载。到此,一个建立负半波的全部过程已经完成,由于PWM波输出的后面是LC滤波器,所以正半波的包络就被显现出来了,如图9(d)第三象线的阴影部分所示。

    (御风)

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