UPSAP3-21无变压器UPS技术

第3-21节无变压器结构的UPS技术—关注UPS的发展趋向N°22020年6月20日UPS技术培训资料1.无变压器结构的UPS…问题的提出：早期的UPS，变压器在实现逆变功能方面，发挥了不可或缺的作用；各种各样的变压器绕组的耦合，主要被用于弥补大功率半导体器件SCR（可控硅）性能的不足：耐压、功率、开关频率等。市场对中大型UPS的需求在不断增长：–大型数据中心、大型工业设备、网络、通信、金融…变压器消耗量较大的黑色金属、有色金属在不断涨价，使得UPS的制造成本居高不下；变压器笨重、体积较大，UPS体积无法进一步减小；变压器损耗较大，使UPS的效率难以提升。N°32020年6月20日UPS技术培训资料1.无变压器结构的UPS…当今的形式：微电子技术和控制技术的发展，使得取消变压器成为可能；高频大功率开关器件的不断创新，为取消变压器提供了物质基础；–新型绝缘栅双极晶体管（IGBT）的技术性能，为不带变压器的UPS设计，创造了物质条件。技术上的进步使得“硅”（IGBT半导体）得以代替“铜”（变压器绕组），其性能完全达到、甚至超越了历代UPS系统的性能水平。N°42020年6月20日UPS技术培训资料2.设计理念的演变早期UPS的设计特征（MG240-1969年）–70年代的UPS，设计了4个逆变变压器；–四个变压器又分为两组，每组含有两个变压器；–变压器的一次侧为三角形连接，二次侧绕组一个为星型，另一个为曲折星型（Zig-Zag,30°相移）；=30?=30?180?0–每组的两个变压器，在一定程度上可消除部分的谐波；–调整两组变压器间的相移即可调整逆变器的输出电压。方波叠加MG240(1969)N°52020年6月20日UPS技术培训资料早期UPS的设计特征（Alpes3000-1975年）变压器的数量从4个减少到2个；为消除6k±1次的谐波，只需要一组相移30°的变换器；在每台变压器一次侧以“脉冲宽度调节(PWM)”的方式，实现对输出电压的调整。=30?2.设计理念的演变换向电路以固定的(每20毫秒6次)基本脉宽调制频率工作，以减小6k±1次以外的其它次谐波的影响。固定频率斩波Alpes3000(1975)N°62020年6月20日UPS技术培训资料早期UPS的设计特征（Alpes4000-1980年）变压器的数量从2个减少到1个；变压器的一次侧绕组之间不做连接(openphase)，而其二次侧绕组则为Z形连接，可消除3n次的谐波；每个变换器以基波的7倍频率来实现直流逆变(固定频率脉宽调制)，以尽可能减小输出电压的失真度以及减小逆变器输出滤波器的尺寸。输出电压是通过移动两组变换器之间的初始相位进行调整的。滤波电感已经被集成在变压器绕组中。PWM斩波Alpes4000(1980)2.设计理念的演变N°72020年6月20日UPS技术培训资料早期UPS的设计特征（Galaxy-1994年）仍然保持一个变压器输出；逆变器功率器件改为IGBT；自由频率的脉宽调制（Free–Frequency-PWM）。自由频率PWM斩波Galaxy(1994)主要原因是：功率半导体器件换向时的损耗较大，而较高的耐压要求又使得人们很难在不用变压器的条件下成功地制作出大容量的变换器2.设计理念的演变N°82020年6月20日UPS技术培训资料早期UPS的设计特征（GalaxyPW-1998年）采用一个变换器，变压器的耦合方式采用一次侧三角形/二次侧Z形连接，能消除3n次及5、7次等谐波。三角形连接可均分IGBT的换向电流，从而减少了换向损耗。自由频率的PWM斩波GalaxyPW(1998)2.设计理念的演变N°92020年6月20日UPS技术培训资料++==L1L2L3NL1L2L3N早期无变压器UPS的设计特征（Comet-1993年）事实上，人们一直在追求无变压器的UPS结构；1993年MGE生产的CometS3330KVAUPS，是第一代应用这种结构的中等容量的UPS；整流器采用三相全桥六可控硅全波整流+IGBT-PFC。自由频率PWM斩波Comet(1993)2.设计理念的演变N°102020年6月20日UPS技术培训资料中期无变压器UPS的设计特征（Galaxy3000-2000年）2000年，第2代六单元集成IGBT的成熟，使无变压器的UPS结构成为真正的产品投放市场；IGBT（PFC）整流-IGBT逆变的30KVAUPS，是第一代应用这种结构的中等容量的UPS。==自由频率的PWM斩波Galaxy3000(2000)2.设计理念的演变N°112020年6月20日UPS技术培训资料中期无变压器UPS的设计特征（Galaxy5000-2005年）2005年，第五代六单元IGBT的成熟，使新一代无变压器的UPS产品投放市场，功率提升到120KVA。自由频率的PWM斩波Galaxy5000(2005)2.设计理念的演变ETONCSIxN.CSR2MUTxNDCHxNCSNxNEtaged'entr閑PFCTN1TN2LEMCSIxNMUTxNBYPASSACSOURCENEUTRENeutreLOADQ5NQ3BPDH1C8C7LS2LS1LS3C4C5C6CSONDfu4fu5fu6Etageonduleuru_res1filtreCEM(CarteFISN+toresCEM)I_utilImutLEMOption//Vi_OndLi_F_OndLi_UtLi_R2-VbattoptionBack-feedu_ctrl_1Auto-AlimCSR2LE1LE2LE3filtreCEMcarteFISN(capas)+ferrites(selfdeMC)Q1NORMALACSOURCEDP1DP2THLEMLHLNXMF09KA2optionback-feedXM5XMR1XM6XMR2vigiCSBat+CSR1+Batt.-Batt.DJfiltreCEMcarteFIBAN(capas)+ferrites(selfdeMC)LE4LE5LE6LEMLEMLEMvigiselfC1C2C3XMXMF10XMF12XMK02HE1020ptsXMC16XMK02HE1020ptsXMC15mat3ptsXME05XME09XME10XME03vigiCSR2XME08fu3fu2fu1KA1Q4SselflimitateurfiltreCEMcarteFISN(capas)+ferrites(selfdeMC)XMR02XMR01XMU01XME01spox12ContactfusibleXMC05XMC06XMC07XMC10XMC09XMC08XMC13XMC12XMC03FU7XMF07XMF06XMF04EXTNvigiCSONDXMF13XMF02XMF01XMU01option//XMF05XMF11N°122020年6月20日UPS技术培训资料最新型无变压器UPS的设计特征（Galaxy7000-2008年）2008年，更新的技术使无变压器的UPS产品容量提升到500KVA/单机。自由频率的PWM斩波Galaxy7000(2008)2.设计理念的演变N°132020年6月20日UPS技术培训资料无变压器的逆变器组成：至少需要3个单相的逆变器半桥，每个逆变器半桥需要独立地工作，产生出各自的输出电压；为使每个逆变器能够输出交流电压的峰值，直流电压E应大于交流输出电压的峰值；考虑到在滤波电感中的电压降和由于负载的各种变化引起的电压降，应使E增加一定的裕量，因此对于230V的输出交流电压有效值来说，直流电压E必须满足：3.无变压器电路技术的实现+E+EOV)(3252230VE因此无变压器的UPS，直流电压经常要使用到±400V。此电压要求功率半导体器件的耐压必须承受两倍的400Vdc，即800V以上的直流电压。N°142020年6月20日UPS技术培训资料无逆变变压器的输出结构电容性半桥逆变器直流总线电压为±400V节约变压器成本（-8%）降低占地面积显著提高的效率大幅降低重量–立足于输出直流分量的控制技术Comet(1993)/G3K(2000)/G5K(2005)/G7K(2008)GalaxyPW(1997)3.无变压器电路技术的实现N°152020年6月20日UPS技术培训资料传统UPS中，变压器的最主要作用之一是升压：–脉宽调制波不足以产生足够幅值的正弦波–由变压器提升逆变器输出电压……220Vrms相电压的最大幅值=311V400Vdc直流电压经PWM调制后，只有180Vrms变压器从180V(400V幅值)脉宽调制波提升到输出电压220V(311V幅值)+_为什么能够省去变压器？3.无变压器电路技术的实现N°162020年6月20日UPS技术培训资料传统UPS中，变压器的另一主要作用是滤波：–与输出端电容器组成低通滤波器（Z型绕组）–产生光滑的正弦波电压提供给负载……I+_为什么能够省去变压器？3.无变压器电路技术的实现N°172020年6月20日UPS技术培训资料消除对无变压器拓扑结构的理解误区：①直流分量的问题；②过载能力低的问题；③可靠性差的问题；④效率低的问题；⑤EMC的问题；……N°182020年6月20日UPS技术培训资料最大的安全性–正弦波的调整环路与控制回路无关。负载端不会出现直流漏电压的危险：–始终具有直流分量的电子检测–输出电压正弦波的偏置，表示具有直流分量的串入；–一旦检测到直流分量，UPS立即调整、消除。①直流分量的问题直流分量引起的电压偏移NPH1PH2PH3+-N°192020年6月20日UPS技术培训资料==直流分量的电子检测和调整环节负载端不会出现直流漏电压的危险①直流分量的问题N°202020年6月20日UPS技术培训资料中性点校正电路+400V-400VTN1TN2C8C7LNLEMVdc_negNIVdc_pos中性点校正电路+400V-400VTN1TN2C8C7LNLEMVdc_negNIVdc_posVnTN2导通C8放电VnVnTN1导通C8充电Vn负载端不会出现直流漏电压的危险①直流分量的问题N°212020年6月20日UPS技术培训资料②过载能力低的问题有/无变压器的UPS，其整流器-逆变器均具有相同的过载能力：125%-10分钟；150%-1分钟。举例：配电网络的变压器保护变压器在四个周期内起动电流逐渐衰减的：第一个峰值：10~20In；第二个峰值：3~7In；第三个峰值：1.5~3In。N°222020年6月20日UPS技术培训资料热(过载)保护或长延时保护：防止电缆过热：1.05~1.30In磁(短路)保护或短延时保护脱扣时间：=20ms第一个电流峰值：10～20In：30ms第二个电流峰值：3～7In：1s第三个电流峰值：1.5～3In：1~3sIn：额定电流②过载能力低的问题如果变压器在逆变器上直接起动，无论如何都是无法实现的。UPS下线的短路电流主要由旁路(市电)承担，而无需整流器-逆变器承担。N°232020年6月20日UPS技术培训资料②过载能力低的问题静态开关的过载能力：提供大型设备的起动电流；提供故障清除电流（短路-故障脱扣）。kVA2030406080100120ICConUPS8.315.544.164.163.123.332.77ICConACBy-Pass45292215292319正确的电路保护来自于正确的“选择性”设计(参考安装手册)：整流器-逆变器的电流保护应小于上线断路器；整流器-逆变器的电路保护应大于下线断路器。N°242020年6月20日UPS技术培训资料③可靠性差的问题增强可靠性的措施：整合于IGBT整流器和IGBT逆变器基座上的温度传感器，可对IGBT功率器件直接进行散热控制。在引发任何功率器件损坏前进行切换，提高设备的