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      探討:一種完美無諧波多電平ZVS UPS

      來源:中國航天二院 作者:劉鳳君 更新時間:2011-7-7 12:01:01

      摘要:本文介紹了完美無諧波多電平零電壓開(ZVS)UPS的工作原理及控制方法。

        所謂完美無諧波UPS,是指這種UPS具有完美的輸入和輸出波形,在無需附加任何濾波裝置的情況下,可以滿足各國供電部門對諧波的嚴格要求,從而實現了UPS的綠色革命。此完美無諧波ZVSUPS所以能達到理想的技術指標,是因為采用了以下三項新技術:
        
        (1)采用了文獻[1]介紹的改革后的新型多電平逆變技術,即把級聯疊加與SPWM控制從逆變器移到了直流電源上進行,最大限度地減少了開關器件的數目,也減少了開關損耗,稱作直流電源SPWM級聯式多電平逆變器。
        (2)在控制疊加與進行SPWM控制的直流電源控制開關上,采用了ZVS零電壓軟開關技術,進一步減少了逆變器的開關損耗。
        (3)UPS的市電輸入采用18相整流的三重疊加電路,顯著減小市電輸入電流的畸變率,從而提高了市電的輸入功率因數。
        
        1 直流電源SPWM級聯式多電平逆變器
        
        1.1 直流電源的級聯疊加原理
        
        直流電源的級聯疊加原理電路如圖1所示,其中圖(a)為主電路,圖(b)為控制電路。由主電路圖可知,它是由N個獨立直流電源E1=E2=…=EN-1=EN=E,N個疊加與SPWM控制開關S1~SN和N個串聯連接的疊加二極管D1~DN組成的,是通過N個控制開關S1~SN與N個疊加二極管分別對應并聯連接而成的??刂崎_關一般選用具有內置反饋二極管的IGBT,而疊加二極管D1~DN則選用單體二極管。直流電源級聯電路的主要作用,是將N個獨立直流電源,通過對控制開關S1~SN的SPWM控制,疊加生成類似于單相橋式整流輸出電壓波形的N電平SPWM直流電源。


      圖1直流電源的級聯疊加原理電路

        N個獨立直流電源的疊加原理,是利用疊加二極管D1~DN的單向導電特性實現的:當二極管的正極電位比負極電位高時,處于正偏置狀態,二級管導通;反之,當二極管的正極電位比負極電位低時,處于反偏置狀態,二極管關斷。通過對疊加控制開關S1~SN的通、斷控制,就可以控制疊加二極管的正、反偏置狀態,以實現N個獨立直流電源E1~EN有選擇地進行疊加,疊加后的輸出電壓.疊加控制開關S1~SN中的任意一個或幾個開關開通時,與開通開關相對應的疊加二級管就會因反偏置而關斷,相應的獨立直流電源就會被接入到輸出電路中,疊加后的輸出電壓就會包括那些相應的獨立直流電源。
        
        1.2 直流電源級聯疊加SPWM控制的實現
        
        直流電源級聯疊加SPWM控制的實現與通常的鉗位式或2H橋級聯式多電平逆變器是不同的,即SPWM控制不是在逆變器的逆變開關上實現,而是在直流電源的級聯疊加控制開關S1~SN上實現的,這樣做的目的有兩個:一是為了減少逆變器的開關數目,降低成本;二是為了減少逆變器的總等效開關次數,降低開關損耗,使逆變開關自然地工作在ZVS狀態,以提高逆變效率。
        
        1.3 直流電源SPWM級聯式多電平逆變器
        
        這種多電平逆變器是采用SPWM控制在直流電源上實現的。直流電源SPWM級聯式多電平逆變器的原理電路如圖2所示。這是一種N=3的直流電源級聯式多電平逆變器。它是由直流電源SPWM級聯電路和后面的2H橋逆變電路兩部分組合而成,采用的是載波三角波移相SPWM控制方式(PSCPWM),N個載波三角波的移相角α=2π/N,對于圖2所示的電路,N=3,故載波三角波的移相角α=2π/3。假定載波三角波uc1的初相位角α1=0°,則載波三角波uc2的初相位角α2=2π/3,uc3的初相位角α3=4π/3。3個載波三角波與一個共用的正弦調制波usA進行比較,所產生的3個SPWM控制脈沖分別去控制疊加開關SA1~SA3。用uc1與usA進行比較,在usA>uc1的部分產生SPWM脈沖去控制開關SA1,使電源E1的輸出電壓波形為Ud1;用uc2與usA進行比較,在usA>uc2的部分產生SPWM脈沖去控制開關SA2,使E2的輸出電壓波形為Ud2;用uc3與usA進行比較,在usA>uc3的部分產生SPWM脈沖去控制開關SA3,使E3的輸出電壓波形為Ud3。這樣,3個獨立直流電源E1~E3的輸出電壓Ud1~Ud3疊加后的輸出電壓為UdA=Ud1+Ud2+Ud3。此輸出電壓波形是一個類似于單相全橋整流器輸出電壓波形的3電平SPWM電壓波形(見圖2)。此電壓經過由SA4~SA7組成的2HA橋逆變器的同步逆變后,就可以得到交流7電平SPWM電壓輸出。從圖2所示的直流電壓UdA的波形可知,UdA的過零點電壓等于零,因此2HA橋中的4個逆變開關是自然工作在ZVS零電壓開關狀態,故可以選用低速廉價的GTO或SCR作為逆變開關。


      圖2直流電源SPWM級聯式多電平逆變器的原理電路

        1.4 疊加開關SA1~SA3的ZVS構成
        
        由上述可知,圖2中2HA橋逆變器的4個逆變開關SA4~SA7是自然工作在ZVS零電壓開關狀態,但圖中的疊加開關SA1~SA3仍然是工作在SPWM硬開關狀態,仍具有較大的開關損耗和較大的EMI。為此,對疊加開關SA1~SA3采用了準諧振ZVS軟開關技術,以進一步減少開關損耗和EMI。
        
        疊加開關SA1~SA3可能采用的準諧振軟開關方式有兩種,即ZVS軟開關和ZCS軟開關,如圖3所示,圖中諧振電感Lr包括電路中可能有的雜散電感和變壓器漏感,諧振電容Cr包括開關管的結電容。ZVS諧振開關和ZCS諧振開關之間具有對偶關系,如表1所示。在圖3(a)所示的ZVS零電壓開關中,當SA開關管關斷時,LrCr串聯諧振,電容Cr(包括開關SA的輸出電容)上的電壓,按照準正弦規律變化,當它諧振過零時,令開關管SA開通,因此圖3(a)是一種ZVS諧振開關。在圖3(b)所示的ZCS零電流開關中,當SA開關管開通時,LrCr并聯諧振,SA中的電流按照準正弦規律變化,當電流諧振到零時,令開關管SA關斷,因此圖3(b)是一種ZCS諧振開關。由于諧振是按照準正弦規律變化的,所以把圖3(a)、(b)所示的軟開關稱為準諧振軟開關。這兩種軟開關都適合于疊加開關SA1~SA3使用,本UPS采用了ZVS軟開關方式。


      圖3ZVS與ZCS準諧振軟開關電路的
        
        表1ZVS諧振開關和ZCS諧振開關的對偶關系

        2 18相三重疊加市電輸入整流電源
        
        18相三重疊加市電輸入整流電源電路,如圖4所示。它的移相角為360°/(3×6)=20°。其中圖(a)為電路圖,圖(b)~(f)為電壓、電流波形,圖(g)為18相矢量圖。用輸入整流變壓器形成具有20°相角差、大小相等的3組輸出電壓,每組分別接入一個三相橋式全控整流器構成的18相輸入整流電源。各整流橋以對其所施加電壓相同的相位控制角α工作??梢钥闯?交流輸入電流由18梯級的梯形波構成如圖(f)所示,將合成的市電輸入電流波形用傅里葉級數展開,則在傅里葉級數式中將不包含零序諧波。各次諧波的幅值如下:
        
        殘存的諧波為17、19;35、37;53、55;…次,其幅值與次數成反比減小。
        18相整流三重疊加的特性值為:
        直流輸出電壓Ud=9Umcosα/π
        直流輸出電壓紋波頻率為18×50=900Hz
        合成輸入電流有效值Ia1=2.351Id(電壓變比為1:1)
        輸入電流畸變率=0.1011
        位移因數ε1=cosα
        輸入總功率因數PF=0.9949cosα


      圖4 18相三重疊加市電輸入整流電源

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