《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型的低成本高性能在線式UPS
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第11期
陳曉琴
(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,江蘇 南京211170)
摘要: 提出了一種新型的低成本單相在線不間斷電源(UPS)。該系統(tǒng)包括具有功率因數(shù)校正(PFC)功能的整流/升壓轉(zhuǎn)換器和連接到DC-Link總線的兩橋臂逆變器,電池組通過一個(gè)非常簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可直接連接到DC-Link總線。采用6開關(guān)管的架構(gòu),相對(duì)于傳統(tǒng)的8開關(guān)管全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)降低了成本。即使在非線性負(fù)載下,該系統(tǒng)仍具有功率密度高和高品質(zhì)輸出電壓的特點(diǎn)。最后詳細(xì)描述了電路操作、分析以及模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
中圖分類號(hào): TN86
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)11-0070-03
A new single-phase on-line UPS with low cost and high performance
Chen Xiaoqin
Electrical Engineering Deptartment,Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170,China
Abstract: This paper presents the design considerations and performance analysis of a new single-phase on-line uninterruptible power supply(UPS) system with low cost owing to the reducing number of switches. The proposed new UPS system consist of an integrated rectifier/boost converter with power factor correction(PFC) capabilities and a two-leg inverter connected to the DC-Link bus. The battery sets are directly connected to the DC-Link bus resulting in a very simple system. The proposed topology uses only 6 active switches reducing the cost of the system compared to the traditional 8 switch topologies. It has sinusoidal input current with unity power factor and high quality output voltage even with nonlinear loads. Detailed circuit operation and analysis as well as simulation and experimental results are presented.
Key words : on-line UPS;low cost;PFC;UPS


    不間斷電源UPS能夠消除電網(wǎng)干擾,為用戶提供不間斷的高質(zhì)量的電能。UPS通??梢苑譃樵诰€式(on-line)、后備式(off-line)和在線互動(dòng)式(line-interactive)三種類型。其中在線式UPS可向用戶的負(fù)載提供純凈、穩(wěn)壓、無(wú)頻率突變(穩(wěn)頻)、抗干擾和波形失真極小的全天候高質(zhì)量正弦波,滿足了對(duì)電源高質(zhì)量、高可靠性的需求,因此被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域之中[1-3]。隨著個(gè)人電腦的普及以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展,主要用于個(gè)人電腦的單相在線式小功率(1 kVA~3 kVA)UPS的市場(chǎng)需求量也相應(yīng)地急劇增加。考慮到個(gè)人電腦的價(jià)格成下降趨勢(shì),這種小功率UPS對(duì)成本的要求也極為苛刻[4-6]。
    傳統(tǒng)的單相在線式UPS有全橋和半橋兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),分別如圖1、圖2所示。全橋UPS拓?fù)洳捎?開關(guān)管結(jié)構(gòu),輸入、輸出級(jí)分別形成兩個(gè)全橋變換器,輸入級(jí)的全橋變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正(PFC)功能,輸出級(jí)的全橋變換器與輸出LC濾波器組成一個(gè)全橋逆變器。從安全角度出發(fā),所有UPS產(chǎn)品的輸入側(cè)與輸出側(cè)必須是電氣隔離的,或者輸入端與輸出端有一公共點(diǎn)相連。因此,在實(shí)際產(chǎn)品中,8開關(guān)管全橋拓?fù)涞腢PS在輸出側(cè)都帶有隔離變壓器,以實(shí)現(xiàn)UPS與負(fù)載的電氣隔離,并對(duì)輸出電壓的直流分量有一定的抑制作用。與全橋拓?fù)涞腢PS相比,半橋拓?fù)涞腢PS具有以下優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,采用更少的功率開關(guān)器件,無(wú)需隔離變壓器,并且仍然可以實(shí)現(xiàn)PFC功能以及對(duì)非線性負(fù)載有較好的適應(yīng)性。因此其廣泛地應(yīng)用在中小功率UPS市場(chǎng)。然而,由于UPS儲(chǔ)能電池直接接在DC-bus上,為了滿足系統(tǒng)的高直流Bus電壓要求,不得不串聯(lián)比全橋拓?fù)涓嗟碾姵啬K(2倍)。更多的電池模塊大大增加了系統(tǒng)的體積、重量以及整機(jī)成本,并且串聯(lián)電池?cái)?shù)量的增加也降低了系統(tǒng)的可靠性[7-12]。

    針對(duì)傳統(tǒng)的全橋和半橋拓?fù)銾PS的特點(diǎn),本文提出了一種三橋臂6開關(guān)管的新型單相UPS。這種UPS結(jié)合了全橋拓?fù)銾PS低Bus電壓以及半橋拓?fù)銾PS無(wú)需輸出隔離變壓器的優(yōu)點(diǎn),為低成本、高功率密度的單相UPS提供了一種可選方案[13-15]。
1 三橋臂拓?fù)銾PS
    本文所提出的6開關(guān)管三橋臂UPS如圖3所示,第一橋臂和第二橋臂(S1~S4)組成了升壓部分(Boost),實(shí)現(xiàn)UPS的PFC以及給電池組充電的功能(AC/DC)。同時(shí)第二橋臂和第三橋臂(S3~S6)組成了系統(tǒng)的降壓部分(Buck),實(shí)現(xiàn)UPS的輸出逆變功能(DC/AC)。

    與圖1所示的全橋UPS架構(gòu)相比,本文所提出的三橋臂UPS的第二橋臂(S3,S4)共用了全橋UPS中的第二橋臂(S3,S4)以及第三橋臂(S5,S6),并構(gòu)成了輸入側(cè)和輸出側(cè)的一個(gè)公共點(diǎn)。因此三橋臂UPS的中間橋臂的控制用來(lái)解耦輸入側(cè)和輸出側(cè)。
    根據(jù)三橋臂UPS工作原理,可以分為正、負(fù)兩個(gè)半周對(duì)其獨(dú)立控制。下面以圖4所描述三橋臂UPS在一個(gè)工頻周期正半周期開關(guān)的工作情況為例詳述其工作原理。當(dāng)在輸入電壓的正半周期工作時(shí),第一橋臂的開關(guān)管S2做PWM斬波工作,開關(guān)管S1與S2互補(bǔ)斬波,同時(shí)第二橋臂的上管S3關(guān)斷,下管S4互補(bǔ)導(dǎo)通。輸入電感L1、開關(guān)管S2以及S1的反并聯(lián)二極管與C1一起組成了正半周期的Boost變換器,實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的PFC以及充電器功能(AC/DC)。相應(yīng)的第三橋臂的上管S5工作在PWM斬波狀態(tài),下管S6與S5互補(bǔ)斬波。開關(guān)管S5與S6的反并聯(lián)二極管以及輸出濾波器L2、C2一起組成了正半周的Buck變換器,來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)的逆變功能(DC/AC) 。負(fù)半周的工作情況與正半周相似,僅僅是同一橋臂的上,下管的開關(guān)狀態(tài)與正半周時(shí)互換即可,在此不再贅述。


    表1是三橋臂UPS拓?fù)渑c傳統(tǒng)的采用全橋,半橋拓?fù)涞膯蜗郩PS的比較。相比可見,三橋臂UPS拓?fù)洳捎昧溯^少的開關(guān)管,并且輸入、輸出側(cè)有一公共點(diǎn)相連,不需要額外的隔離變壓器,Bus電壓較低,僅采用一組電池組,因此整機(jī)系統(tǒng)體積、成本、重量都是最低的。

2 三橋臂PWM控制方法
    隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)成為UPS的發(fā)展方向之一。數(shù)字控制UPS抗干擾能力強(qiáng),工作穩(wěn)定可靠,系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)方便。此外,由于數(shù)字控制方法靈活,更易于實(shí)現(xiàn)UPS的并聯(lián)運(yùn)行,較模擬控制具有更大優(yōu)勢(shì)[16-19]。
    基于TI公司的2407系列DSP的三橋臂UPS數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。采樣UPS的輸入電壓信號(hào)做數(shù)字同步鎖相(PLL),并判斷控制正、負(fù)半周三橋臂開關(guān)管的邏輯信號(hào)。
    圖 6是第一橋臂兩開關(guān)管S1、S2的控制框圖。采用數(shù)字PFC控制方式,采樣Bus直流電壓值、輸入電壓以及輸入電感電流信號(hào)做電壓、電流雙環(huán)PI控制。
    圖7是第二橋臂兩開關(guān)管S3、S4的控制框圖。采樣輸入電壓信號(hào)做同步、鎖相(PLL),開關(guān)管S3、S4根據(jù)輸入電壓的相位變化做互補(bǔ)的工頻開關(guān)動(dòng)作,交替導(dǎo)通。
    圖8是第三橋臂兩開關(guān)管S5、S6控制框圖。采樣輸出電壓和輸出電感電流信號(hào)做電壓,電流雙環(huán)PI控制,輸出電壓環(huán)做平均值控制,電流環(huán)做瞬時(shí)值控制,以提高輸出電壓THD以及對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性[4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果
    基于以上所提的三橋臂UPS拓?fù)洌⒘艘粋€(gè)3 kVA的原理樣機(jī),用實(shí)驗(yàn)證明控制方法的正確性,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

    圖9、圖10分別是系統(tǒng)突加、突卸負(fù)載時(shí)的輸出電壓和電流波形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過程均有較好的表現(xiàn)。

      本文提出了一種新型的單相三橋臂UPS,相比于傳統(tǒng)的全橋、半橋單相UPS拓?fù)?,所提出的三橋臂UPS拓?fù)渚哂?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/成本低" title="成本低" target="_blank">成本低,體積小,功率密度高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其工作原理及控制方式做了詳細(xì)的描述,最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了所提出的拓?fù)浼翱刂品桨傅目尚行浴?br/>
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