l 引言

　　在UPS電源里，成本最高、最重的元件之一是輸出變壓器。由于用來(lái)束縛頻率的變壓器磁心材料的成本和重量減小的可能性很小，在過(guò)去20年電力電子的巨大進(jìn)步中，在改變電路原理后，已經(jīng)可以做到不需要輸出變壓器。用電力電子元件替代變壓器，可以使UPS電源的制造變得更經(jīng)濟(jì)，未來(lái)的成本還會(huì)得到進(jìn)一步優(yōu)化。

　　幾年以前，這一技術(shù)已經(jīng)在較小功率、特別是在單相、lOKVA以下的UPS電源領(lǐng)域應(yīng)用，在200kVA以下的中功率領(lǐng)域也得到了開(kāi)發(fā)。而大功率領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)則剛剛起步。

　　這一新原理包含在稱(chēng)之為真在線(xiàn)UPS原理之中。利用這一原理，UPS電源可以依據(jù)EN62040標(biāo)準(zhǔn)的第三部分予以設(shè)計(jì)，并依據(jù)最大輸出功率指標(biāo)這一工作特性進(jìn)行分類(lèi)，屬于VFl-SS-111類(lèi)。對(duì)于中功率和大功率電源，本文的討論焦點(diǎn)集中于三相，并不關(guān)心UPS的其他技術(shù)。

　　2 變壓器的作用

　　在圖l所示的無(wú)變壓器電路原理中，過(guò)去由變壓器所完成的各項(xiàng)功能現(xiàn)在必須由電路的其他元件和(或)適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制來(lái)完成。

　　變壓器的最重要功能之一是使逆變器的輸出電壓適應(yīng)設(shè)備的輸出電壓。傳統(tǒng)的UPS 原理配備了一個(gè)可控的或不可控的整流器，這就產(chǎn)生了直流回路電壓，該電壓總是小于上游平均電壓的峰值，并在欠電壓工作期間產(chǎn)生DC回路電壓的最低值。如果電池照常與直流回路直接連接，那么，在充電電壓和放電終了電壓之間變化的電池電壓將成為附加電壓，已經(jīng)計(jì)算出在一個(gè)400V的UPS電源里的這一電壓大約是300V。如果一個(gè)三相逆變器在這樣的直流回路電壓下工作，那它形成的三相交流電源的線(xiàn)電壓約為200V，將這一電壓調(diào)整到下游400V電壓的工作由輸出變壓器完成。

　　400V電壓是絕大多數(shù)具有負(fù)載中線(xiàn)的四線(xiàn)制的電壓，而一個(gè)三相三滯環(huán)逆變器產(chǎn)生的是無(wú)中線(xiàn)的三相電。通過(guò)輸出變壓器的DY或DZ矢量組的設(shè)計(jì)使生成由三滯環(huán)逆變器饋電的四線(xiàn)制成為可能。見(jiàn)圖2。

　　由傳統(tǒng)SCR和二極管整流器產(chǎn)生的DC回路電壓還相對(duì)于一個(gè)恒定的DC回路電壓 (從正到負(fù))進(jìn)行振蕩，該振蕩與上游以每秒l50周的頻率進(jìn)行饋電的系統(tǒng)中線(xiàn)有關(guān)，這時(shí)，由逆變器產(chǎn)生的三相系統(tǒng)以及它的假想振蕩中心不僅與上游中線(xiàn)有關(guān)，還與下游輸出中線(xiàn)有關(guān)，因?yàn)檩敵鲋芯�(xiàn)通常是直接接地，或者是經(jīng)由旁路接地，這一必要的振蕩可能只是輸出變壓器電絕緣的作用。

　　UPS的輸出電壓由逆變器產(chǎn)生，這是輸出電壓的基礎(chǔ)，還要用脈寬調(diào)制的方法，用幾kHz的脈沖頻率將它調(diào)制成方波信號(hào)。為了抑制脈沖頻率并讓波形規(guī)整，用電感和電容設(shè)計(jì)一個(gè)能夠有效過(guò)濾二次諧波的過(guò)濾器是必不可少的。因?yàn)殡姼型ǔＳ米儔浩鞯穆╇姼校�所�?FONT color=#0000ff>變壓器就成了輸出濾波器的單元之一。

　　由于輸出變壓器對(duì)三相的不平衡和直流組分極其敏感，因此必須給逆變器配以合適的電磁電流控制器，以避免電流中的直流組分。然而由于輸出變壓器的存在，自然就要對(duì)接在輸出端的負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，以免受變壓器的作用，因?yàn)樽儔浩骺偸且�通過(guò)飽和作用對(duì)逆變器的三相系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

　　3 變壓器功能的實(shí)現(xiàn)

　　為了實(shí)現(xiàn)沒(méi)有變壓器的UPS，變壓器的功能必須用電子元件和特別適合的控制原理來(lái)替代。見(jiàn)圖4。

[$page]　　為了產(chǎn)生每秒50周的名義上的400V輸出電壓，電路類(lèi)型和逆變器控制是實(shí)質(zhì)問(wèn)題。為了產(chǎn)生三相四線(xiàn)制輸出的中線(xiàn)，輸出濾波器的設(shè)汁，特別是對(duì)于非線(xiàn)性負(fù)載下的理想的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，都必須在700V至800V的直流電壓區(qū)間進(jìn)行計(jì)算。這一電壓必須是在所有的工作模式下都有效(一般工作、電池工作，還有在電池的最后放電電壓下工作）。

　　無(wú)變壓器UPS的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是三相四線(xiàn)輸出的可承載中線(xiàn)的產(chǎn)生。對(duì)于這一功能，無(wú)變壓器UPS的逆變器與使用變壓器、或者是驅(qū)動(dòng)應(yīng)用情況下使用變頻器的UPS的逆變器具有相當(dāng)大的區(qū)別。如今，對(duì)于這樣的逆變器通常有2種電路解決方案。

　　一種解決方案是將逆變器的直流回路用2個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)做成。DC回路電容的中心與輸出中線(xiàn)相連(見(jiàn)圖5)，從而DC的電勢(shì)被固定并與三相系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。結(jié)果是DC回路電壓必然處于下列范圍：

　　這種中線(xiàn)產(chǎn)生方法是很經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)镈C回路總是存在著2個(gè)串聯(lián)的開(kāi)關(guān)電容。不利的是，由于直流回路間電位的高低不同而產(chǎn)生的三次諧波部分比較大，增加了電容負(fù)載，因此在設(shè)計(jì)DC回路電容時(shí)，必須以和單相負(fù)載一樣的方法對(duì)待。

　　可供選擇的另一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是用第四個(gè)逆變滯環(huán)產(chǎn)生中線(xiàn)(見(jiàn)圖6）。這種情況下的DC回路的直流電壓比較小。

　　這一電路的價(jià)格相對(duì)比較貴，這是因?yàn)榈谒膫�(gè)逆變滯環(huán)必須設(shè)計(jì)成一個(gè)可用于非線(xiàn)性負(fù)載的電源，中線(xiàn)電流中的三次諧波不是加在零上，而是加到額定相電流的倍上面，作為中線(xiàn)的逆變滯環(huán)的設(shè)計(jì)必須比三相滯環(huán)的設(shè)計(jì)嚴(yán)格很多。

　　這里還解釋了在DC回路中使用較小電壓將被受到限制的可能性。通過(guò)控制與DC回路的假想中心相關(guān)的逆變器第四滯環(huán)來(lái)改變?nèi)�相系統(tǒng)的中心(中線(xiàn))，在輸出端中線(xiàn)接地的情況下(主要形式：TN或TT)，將導(dǎo)致DC回路電壓相對(duì)于地的位移，反之亦然。對(duì)于一般工作模式的整流器必須能夠做到讓DC回路電勢(shì)的位移成為可能。值得注意的是