大功率UPS工頻機和高頻機

1 工頻機和高頻機的定義及原理分析

UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz,顧名思義叫工頻UPS。
典型的工頻UPS拓撲如圖1所示。

主路三相交流輸入經(jīng)過(guò)換相電感接到由三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過(guò)控制整流橋SCR的導通角來(lái)調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統只能控制開(kāi)通點(diǎn),一旦SCR導通之后,即使門(mén)極驅動(dòng)撤消,也無(wú)法關(guān)斷,只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷,所以其開(kāi)通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期,不存在高頻開(kāi)通和關(guān)斷控制。

由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線(xiàn)電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低,要使輸出相電壓能夠達到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時(shí),由于增加了隔離變壓器,系統輸出零線(xiàn)可以通過(guò)變壓器與逆變器隔離,明顯減少了逆變高頻諧波給輸出零線(xiàn)帶來(lái)的干擾。

圖1 典型工頻UPS拓撲

同時(shí),工頻機的降壓整流方式使電池直掛母線(xiàn)成為可能。工頻機典型母線(xiàn)電壓通常在300～500V之間,可直接掛接三十幾節電池,不需要另加電池充電器。

按整流器晶閘管數量的不同,工頻機通常分為6脈波和12脈波兩種類(lèi)型。6脈波指以6個(gè)晶閘管組成的全橋整流,由于有6個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖對6個(gè)晶閘管分別控制,所以叫6脈波整流。6脈波整流拓撲如圖2所示。

圖2 典型6脈波拓撲

12脈波是指在原有6脈波整流的基礎上,在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈波整流器,使直流母線(xiàn)由12個(gè)晶閘管整流完成,因此又稱(chēng)為12脈波整流。

圖3所示的兩個(gè)三相整流電路就是通過(guò)變壓器的不同連接構成12相整流電路。

圖3 典型12脈波整流器示意圖

高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成,IGBT可以通過(guò)控制加在其門(mén)極的驅動(dòng)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷,IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾到幾十千赫之間,有時(shí)甚至高達上百千赫,相對于50Hz工頻, 稱(chēng)之為高頻UPS。典型的高頻機拓撲如圖4所示。

圖4 高頻UPS拓撲圖

高頻UPS整流屬于升壓整流模式,其輸出直流母線(xiàn)的電壓一定比輸入線(xiàn)電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線(xiàn),所需要的標配電池節數達到67節,這樣就給實(shí)際應用帶來(lái)很大的限制。因此一般高頻UPS會(huì )單獨配置一個(gè)電池變換器,在市電正常的時(shí)候,電池變換器把800V的母線(xiàn)電壓降壓到電池組電壓值;在市電故障或超限時(shí),電池變換器則會(huì )把電池組電壓升壓到800V的母線(xiàn)電壓,從而實(shí)現電池的充放電管理。由于高頻機母線(xiàn)電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不需要升壓變壓器了,但是沒(méi)有隔離效果。