一種完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS（二）

3完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS電路

完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS的原理電路如圖5所示(市電旁路開(kāi)關(guān)未畫(huà)出)。它是由18相三重疊加市電輸入整流電路,直流電源SPWM級聯(lián)式ZVS軟開(kāi)關(guān)多電平逆變器組成的,在圖5所示的UPS電路中,沒(méi)有使用輸入或輸出交流濾波器,這是本UPS的特點(diǎn)。對于圖5中的三相直流電源SPWM級聯(lián)式ZVS軟開(kāi)關(guān)多電平逆變器,當采用圖6所示的控制電路(穩壓控制電路部分未畫(huà)出)對其進(jìn)行控制時(shí),就可以得到三相7電平SPWM正弦波交流電壓輸出,輸出電壓的波形如圖7所示。這是一種輸入輸出波形最接近于正弦波,使用開(kāi)關(guān)器件最少、開(kāi)關(guān)損耗最小的一種新型ZVS 7電平 UPS。

圖5 三相完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS的原理電路(B、C相與A相同,市電旁路開(kāi)關(guān)未畫(huà)出)

圖6 圖5所示UPS電路的控制電路(穩壓控制電路部分未畫(huà)出)

3.1輸出電壓方程式的推導

三相完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS,采用的是載波三角波移相SPWM控制方式,其工作波形如圖7所示。3個(gè)載波三角波uc1～uc3的初相位角依次滯后2π/3,假定uc1的初相位角α1=0°,則uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。uc1～uc3共用一個(gè)正弦調制波uS4。用載波三角波uc1與正弦調制波usA進(jìn)行比較,在usA>uc1部分產(chǎn)生的SPWM控制脈沖去控制開(kāi)關(guān)SA1。使2HA逆變器的輸出電壓為up1;用uc2與usA進(jìn)行比較,在usA>uc2部分產(chǎn)生的SPWM控制脈沖去控制開(kāi)關(guān)SA2,使2HA的輸出電壓為up2;用uc3與usA進(jìn)行比較,在usA>uc3部分產(chǎn)生的SPWM控制脈沖去控制開(kāi)關(guān)SA3,使2HA的輸出電壓為up3,則A相UPS的輸出電壓uA=up1+up2+up3。

載波三角波uc1的表示式為:

k=0, ±1, ±2, …

正弦調制波表示式為:

假定載波比調制度

則直流電源E1通過(guò)2HA的輸出電壓up1的雙重傅里葉級數表示式由參考文獻[2]可得

由于sinm(π-0)+ sinm(π-2π/3)+ sinm(π-4π/3)=0，cosm(π-0)+ cosm(π-2π/3)+ cosm(π-4π/3)= ±3或0. 當m為3的奇次倍時(shí)等于(-3),當m為3的偶次倍時(shí)等于(+3),當m為3的整數倍以外的數時(shí)等于0,所以:

由uA的表示式可知,在A(yíng)相輸出電壓uA中,將會(huì )消除掉3F±1次以下的諧波和m3以下的載波諧波,只包含3F±1次以上的諧波和m>3以上的載波諧波。當載波比F=120時(shí),可以消除3×120±1=360±1次以下的諧波,故可以稱(chēng)為完美無(wú)諧波UPS。

圖7 UPS交流輸出電壓的波形圖

3.2 派生電路及其參數

圖5所示的三相完美無(wú)諧波ZVS UPS電路,是每相獨立直流電源個(gè)數N=3的一種UPS電路，這是為了敘述方便而設定的,當N=2、3、4、5時(shí)UPS所用獨立直流電源個(gè)數、疊加開(kāi)關(guān)IGBT個(gè)數、2H橋用GTO或SCR個(gè)數，市電輸入整流電源型式、uA輸出電壓的通用表示式及輸出電壓的電平數，如表2所示。設計者可以根據不同的要求進(jìn)行選擇，一般地說(shuō)，N越大輸出電壓的波形越接近于正弦，但電路也最復雜，成本也越高，通常選用N=3就可以了。當N=5時(shí)，A相輸出電壓的仿真波形如圖8所示，可以看出，它是非常接近于正弦波形的。

表2 UPS的參數結構與N的關(guān)系

圖8 當N=5時(shí),輸出電壓uA的仿真波形

4 結束語(yǔ)

本文所介紹的完美無(wú)諧波多電平ZVS UPS,采用了三項最新技術(shù):在逆變器部分,采用了我們獨自研制的直流電源SPWM級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)。它把級聯(lián)疊加和SPWM控制與逆變器分開(kāi),移到了直流電源的疊加控制開(kāi)關(guān)上實(shí)現,達到了減少元器件數目(特別是開(kāi)關(guān)器件的數目)和減少開(kāi)關(guān)損耗的目的,并使2H橋逆變器中的開(kāi)關(guān)管自然工作在ZVS狀態(tài),為低速開(kāi)關(guān)器件GTO或SCR的應用創(chuàng )造了條件。對于逆變器中的直流電源疊加控制開(kāi)關(guān)SA1～SA3采用了準諧振ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù),使開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步減少。市電輸入整流電源采用了相應的18相三重疊加整流電源,使輸入功率因數提高。綜合起來(lái),通過(guò)上述三項新技術(shù)的應用,使得本文介紹的UPS具有以下特點(diǎn):

(1)具有完美的輸入、輸出波形,無(wú)需附加任何的濾波裝置,就可以滿(mǎn)足各國供電部門(mén)對諧波的嚴格要求,實(shí)現了UPS的綠色革命。

(2)全部實(shí)現了ZVS零電壓軟開(kāi)關(guān),減小了開(kāi)關(guān)損耗與EMI,最大限度地提高了逆變效率,使總效率可以達到97.5%以上。

(3)具有優(yōu)良的抗浪涌能力。

(4)可以使市電輸入功率因數達到0.98以上。

(5)與其他多電平逆變器相比,所用元器件數目最少,減少了制造成本。

(6)控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應快、體積重量小。

(7)適合于中、大功率UPS應用,是當前中、大功率綠色UPS的發(fā)展方向。