綜述UPS電路技術(shù)的發(fā)展歷程

　　最初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應(yīng)該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。逆變器電路技術(shù)演變過程的一個顯著的表現(xiàn)形式是：是否必須用變壓器，如何配置變壓器，是否可能去掉變壓器。

　　圖1是20世紀(jì)70年代生產(chǎn)的第一代三相UPS的典型電路結(jié)構(gòu)形式。

　　圖1所示的UPS(不間斷電源)包括一個由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個與整流器相并聯(lián)的、由自耦變壓器的輔助二次側(cè)繞組供電的可控硅電池充電器。當(dāng)電網(wǎng)停電時靜態(tài)開關(guān)可將電池組連接到直流母線上供電。

　　逆變器由4個三相逆變器以全波方式運行(按照基波頻率進行換向)，每一個三相逆變器都與變壓器的一次側(cè)繞組相連接(三角形連接)，再把這些二次側(cè)繞組開放式變壓器(OpenPhaseTransformers)的二次側(cè)以一定方式進行連接，以獲得合成的輸出電壓。這4個變壓器被分為兩組，每一組都包含一個星形和一個Z形(曲折星形)的二次側(cè)繞組，這兩個二次側(cè)繞組之間具有30°相位差。這一特殊的連接可消除n=6k±1(k為奇數(shù))次的電壓諧波，這等效于12脈沖整流器中的兩個移相式繞組在變壓器一次側(cè)中可抵消5、7次諧波。對于在變壓器一次側(cè)繞組中每相可能出現(xiàn)的3次和3n次電流諧波，由一次側(cè)繞組的三角形接線方式來抵消。因此，輸出端首先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調(diào)整是通過移動兩組變壓器之間的相位(0<φ<180°)來完成的。由于首先需要濾除的是第11次諧波，所以輸出濾波器的尺寸較小，這使得逆變器對負載變化的動態(tài)響應(yīng)特性加快。

　　以可控硅(晶閘管)為基本功率器件的電路存在著換相安全和功率損耗的問題，為減少電路的能量損失和改善控制功能，下一代系統(tǒng)開始使用一種新的脈沖電路，每個晶閘管都有其相應(yīng)的滅弧電路。整個設(shè)備僅需兩個變壓器，如圖2所示。為消除n=6k±1(k為奇數(shù))次的諧波，只需要一組相位相差30°的逆變器，而這30°的相移是預(yù)先設(shè)置好的，并在每臺變壓器一次側(cè)以“脈沖寬度調(diào)節(jié)”的方式(PWM)來實現(xiàn)對電壓的調(diào)整。為達到預(yù)期的輸出電壓，可以將上述換向電路應(yīng)用于每周期6次固定換向的基本脈寬調(diào)制電路(PWM)。

　　變壓器的數(shù)量從4個減少到2個，但為了能進一步減少變壓器的數(shù)量，就不得不提高逆變電路的性能，以便通過優(yōu)化PWM就能達到目的，而無需再使用兩組變壓器的耦合方式。以前使用兩組移相30°的變壓器是為了減小低次諧波(5、7次)，因為他們的幅值較大，要濾除他們比較困難。只用一個變壓器的UPS如圖3所示。電路中，變壓器的二次側(cè)繞組為曲折星形連接，每個逆變器以基波的7倍頻率來斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波，在設(shè)計時以盡可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標(biāo)。輸出電壓的調(diào)整是通過移動兩組逆變器橋之間的相位進行的。

　　自20世紀(jì)80年代起，UPS(不間斷電源)逆變器開始只含有一個變壓器。同時，隨著功率半導(dǎo)體器件的革新，雙極型功率晶體管以及電子控制級的IGBT等功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，逆變電路中的可控硅器件被取代(見圖4和圖5)，但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續(xù)且一直持續(xù)到二十一世紀(jì)伊始，其間雖然在1995年出現(xiàn)了無變壓器的逆變器結(jié)構(gòu)，然而此類產(chǎn)品僅適用于功率小于等于30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導(dǎo)體器件換向時的損耗較大，而較高的耐壓要求又使得人們很難在不用變壓器的條件下成功地制作出大容量的逆變器。

　　APC的解決方案配備了自動檢測斷路器大小、PDU電路位置和分支電流監(jiān)控功能，為用戶帶來更多實用的好處。這些功能與英飛解決方案的容量和變化管理模塊兼容，更好地實現(xiàn)自動分支電流設(shè)置、調(diào)整和平衡功能。

　　圖4的逆變器采用IGBT器件，變壓器二次側(cè)繞組采用星形連接。每個一次側(cè)繞組都連接到兩個逆變器支路的中點，組成實際上是三個單相全控制的逆變器橋。因此，在二次側(cè)繞組上得到的電壓是獨立進行調(diào)節(jié)的，這可有效地確保輸出電壓的良好平衡，而不管三相負載電流是否處于平衡狀態(tài)。使用橋式組件的連接方式可使每個支路的變換頻率相對于標(biāo)稱變換頻率減小1/2，這樣每個支路都只在正弦波的1/2個周期內(nèi)工作。

　　圖5只有一個逆變器(三相全橋)，此變壓器的耦合方式采用一次側(cè)三角形/二次側(cè)曲折星形連接。這種連接方式可實現(xiàn)兩個額外的功能。首先，它可以實時(即刻、瞬間)地調(diào)節(jié)每相的輸出電壓，而各相輸出電壓都與逆變器的逆變支路相對應(yīng)。此外，變壓器二次側(cè)的Z形連接所吸收的負載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側(cè)繞組，使這些諧波電流只在一次側(cè)繞組內(nèi)流動，這樣，可降低IGBT的換向電流，從而減少了換向損耗。

　　以上所述就是逆變器中的變壓器是如何逐步發(fā)展演變的過程。