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UPS的节能控制与Udc-PWM控制(下上)
  • 本文介绍了高频UPS的一种SPWM节能控制的基本工作原理与控制方法;介绍了工频UPS的一种Udc-PWM控制的基本工作原理喻控制方法。并对典电路进行了优点分析和比较。
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      刘凤君
      
      (中国航天二院北京100039)
      
      摘要:本文介绍了高频UPS的一种SPWM节能控制的基本工作原理与控制方法;介绍了工频UPS的一种Udc-PWM控制的基本工作原理喻控制方法。并对典电路进行了优点分析和比较。
            

    7 高频UPS效率较高的原因
      
      高频UPS效率较高,是由多方面的原因造成的,有的可以定量说明,有的只能定性说明。在这些原因当中不管定量还是定性说明,节能控制法都应该是最主要的原因。如果没有把开关损耗减少50%的节能控制,即是高频UPS具有很多的提高效率的有利条件,也不能把UPS的效率提高到0.95。
      
      高频UPS采用的是IGBTBoostSPWMPFC高频整流器,其输出直流电压,在直流母线上并接的储能蓄电池是67节,而工频UPS的直流母线上并接的储能蓄电池是34节,电压为408V。这就说明高频UPS的直流母线电压比工频UPS高倍。大约可以使UPS得线路损耗减少0.55%。
      
      前面已经说过,高频UPS中没有设置工频变压器,一般大功率工频变压器的效率为97%~99%,故可以减小大约2%的电能损耗。
      
      一般高频UPS的效率受负载率的影响较小,如图10所示,大约当负载率≥30%时UPS的效率就可以达到0.94以上,比工频UPS要高一些。


      
      为了提高UPS的效率,把蓄电池直接并联在直流母线上,节省了Buck/Boost变换器,减少了Buck/BoostDC/DC变换器的开关损耗。
      
      高频UPS的市电输入功率因数高,市电输入电流的THDI小,减少了UPS输入侧设备如开关、电缆等所消耗的总电能。
      
      此外,高频UPS是一种电能可以双向流动的UPS电路,因此输入侧的Boost储能电感上所消耗的无功电能,可以由市电或负载侧双向供给,故市电输入功率因数可以等于1,减少损耗。
      
      图10高频UPS的效率与负载率的关系曲线
      
      综合以上各种节能的因素,可以使高频UPS的效率比工频UPS大约可以提高(3~4)%。
      
      8 节能控制可以克服高频UPS零地电压大的缺点
      
      高频UPS有两个大的缺点:一是开关损耗大,二是零地电流大。节能控制除了可以克服高频整流器开关损耗大的缺点外,还可以克服零地电压大的缺点。
      
      所谓零地电压,就是在零线中流过的工作电流(包括三相不对称电流和零序谐波)在零线阻抗上产生的电压降造成的。高频UPS在按照常规的SPWM控制时,是按照图2工作波形上部upa、upb、upc所示波形进行控制的,由于波形中含有零序谐波,故upa+upb+upc≠0,而是等于如图2中upa+upb+upc所示的数值较大的零序谐波电压,因此高频整流器必须采用三线四线制输入,而且在零线中必然会流过数值较大的零序谐波电流,此电流就会在零线上产生出数值较大的零序谐波电压,使零地线之间出现数值较大的“零地电压”,这是老式高频UPS的一个缺点。当采用图2下部所示的线电压(upab、upbc、upca)进行节能控制时,因为波形是三相对称的,不在含有零序谐波,因此可以不用零线,故高频UPS中高频整流器会增大零地电压的缺点也就被克服掉了。
      
      9 提高工频整流器性能Udc-PWM控制
      
      当前工频UPS与高频UPS相比具有如下的缺点:
      
      (1)市电输入功率因数较低,只能达到0.85;
      
      (2)电能变换效率低,只能达到92%;
      
      (3)对市电电压波动的适应能力差,只能达到±15%;
      
      (4)负载率对UPS效率的影响较大。
      
      通过以上2~7节的分析已经找到了,工频UPS缺点的根源是采用了半控器件SCR的相控整流控制方式,也找到了高频UPS优点的根源是采用了全控器件的SPWM控制。面前已经说过,控制方式是决定UPS性能的关键。因此为了提高高频UPS的性能,克服上述缺点,可以仿照高频UPS对其进行改造,方法是把开关管SCR改换成GTO,把相控改成Udc-PWM控制,这样就可以消除位移因数及非线性的影响,并使其具有了PFC功能,因此就可以把工频整流器的性能提高到高频整流器的性能,把工频UPS的性能提高到高频UPS的水平。而且还具有比高频整流器的开关损耗小倍的低耗能特性。因此用不着再采用节能式SPWM控制方式,只需用一般的Udc-PWM控制即可,简化了控制电路。


      
      下面以12脉波工频整流器为例进行介绍,其主电路如图11所示。其中图(a)为主电路图,图中电流ia1的波形如图(b)所示,电流ia2的波形如图(d)所示,市电输入电流ia=ia1+ia2的波形如图(e)所示,是一种等阶

        

      

     

     

    (未完待续)

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