大中型UPS原理分析-大中型UPS逆变器

1 大中型UPS中的逆变控制技术

大、中型UPS逆变器控制电路，除采用三相正弦脉宽调制技术外，波形叠加技术也得到了广泛应用，波形叠加技术有叠加

式阶梯波、离散型阶梯波、脉宽阶梯混合波等多种。这里对应用较多的脉宽阶梯混合波作一介绍。

这种逆变器是结合阶梯波的高效率和脉宽调制的低价格而采取的一种折衷方案，由于混合式的逆变频率较低，因而噪声较

大。它的体积略大于脉宽调制

图1三相输出混合波的情况

(a)电路图（b）波形图（变压器初级）

图2三相桥式逆变电路

图3三相桥式逆变电路主要波形

式而小于阶梯式，多用于中大容量的UPS。脉宽阶梯混合波的波形如图所示。

图（a)为电路原理图，图中S1,S2,S3,和S4分别组成半桥电路，两个半桥产生相同的调宽波UA和UD，这里取输出电压，

Uout=UA－UD

由图（b）可以看出UA和UD均反映出正弦波的规律。

当两组脉冲同相时，

Uout=UA－UD=0

当两组脉冲反相时，

Uout=UA－UD=2E

当UA和UD的相位差在0－180°之间变化时,其幅度就在0－2E之间变化。如果输出为单相交流电压，有这样一个“开关对”[图（a）的简称]似乎就够了，但在中大功率UPS中多半需要三相输出，在实用中每一个调宽波（UA或UD）都用一个全桥逆变器给出，而三相就需要6个这样的全桥逆变器，如图所示。图（a）是它的电路图，而（b）是线电压（两相电压相差120°时的叠

加)。

由图（b）的波形可以看出：正弦波的轮廓很明显，这种电压经变压器滤波后输出正弦波。这种变压器绕制时故意做成有一定的漏感，以便和变压器输出端的电容形成LC滤波器，从而省去了体积庞大的滤波电感，而且输出的正弦波电压失真度很小（小于3％）。这是因为输出变压器初级接成△型，次级接成Y型，这种经△/Y变换的波形，3次及3的倍数次谐波都被抑制了，

而5次和7次谐波为零，故不需要多大的滤波器即可。

2 大中型UPS逆变电路

三相桥式逆变电路是中、大容量UPS逆变器的基本电路，这里以三相桥式逆变电路为例，如图所示，它是由直流电源E，3块两单元晶体管模块S1～S6，输出变压器T组成。市电正常供电时，直流电源E由整流电路提供，市电中断时，直流电源由

蓄电池提供。输出变压器初级接成三角形，次级接成星型。

S1～S6的基极b1－b6分别加上正弦脉宽触发信号，其波形如图4－9所示。工作过程如下：

t0～t1期间，ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1，S6，S5导通，S2，S3，S4截止。

（1）变压器初级电流iAB沿着E＋→S1→变压器初级绕组AB→S6→E－路径流动。由于S1，S6导通，故变压器初级绕

组AB两端电压为：

图4梅兰日兰公司的EPS2000UPS的静态开关控制框图

电源能量转移到变压器，变压器次级绕组ao感应出电压为：

该电压推动的电流iao沿着a→RL→L→0路径流动，变压器中能量的一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在负载电感

中。

（2）变压器初级电流iCB沿着E＋→S5→变压器初级绕组CB→S6→E－路径流动。由于S5，S6导通，变压器初级绕组

CB两端电压为： 电源能量转移到变压器，变压器次级绕组bo感应出电压为： 该电压推

动的电流ibo沿着0→L→RL→b路径流动，变压器中能量的一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在负载电感中。

由上述可见，3个导电臂中均有晶体管导通，二极管不通，负载从直流电源中获取能量。

在t1～t2期间，ub1>0,ub3>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub6=0。由于S6截止，iao要减小，但是iao不能突变，仍沿着a→RL→L→0路径流动，负载电感中能量一部分消耗在负载电阻上，另一部分存储在变压器中，电流iAB也不能突变，它沿着B→D3→S1→A路径流动，将变压器能量消耗在回路电阻上。与上述类似，由于S6截止，ibo要减小，但是ibo不能突变，仍沿着0→L→RL→b路径流动，因此，电流iCB也不能突变，它沿着B→D3→S5→C路径流动，将变压器能量消耗在回路电阻上。在上述过程中，

由于D3续流，S3不能导通。由上述可见，3个导电臂中，2个晶体管导通，1个二极管导通。

若负载电感L比较大，变压器储存能量比较多，维持D3导通时间长；反之，维持D3导通时间短。

在t2～t3期间，ub1>0,ub5>0,ub6>0,ub2=0,ub3=0,ub4=0。3个导电臂中，3个晶体管导通。两相负载均从电源E获取能

量。

输出波形uAB如图3所示。由图看出：

①变压器初级、次级输出三组互差120°的正弦脉宽调制波。

②输出uO脉冲频率是驱动信号脉冲频率的两倍。

③逆变器具有3种工作模式：

第1种工作模式：3个晶体管导通，二极管不导通；

第2种工作模式：2个晶体管导通，1个二极管导通；

第3种工作模式：1个晶体管导通，2个二极管导通。

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