upsap3-21无变压器ups技术.ppt

第3-21节 无变压器结构的UPS技术 —关注UPS的发展趋向,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 ）；,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 MG 240 (1969),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 Alpes 3000 (1975),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(open phase)，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 Alpes 4000 (1980),2.设计理念的演变,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,早期UPS的设计特征（ Galaxy PW-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 Galaxy PW (1998),2.设计理念的演变,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Comet S33 30KVA UPS，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,中期无变压器UPS的设计特征（ Galaxy 3000 -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30KVA UPS，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 Galaxy 3000 (2000),2.设计理念的演变,中期无变压器UPS的设计特征（ Galaxy 5000 -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 Galaxy 5000 (2005),2.设计理念的演变,最新型无变压器UPS的设计特征（ Galaxy 7000 -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 Galaxy 7000 (2008),2.设计理念的演变,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230 V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,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。

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),Galaxy PW (1997),3.无变压器电路技术的实现,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……,为什么能够省去变压器？,3.无变压器电路技术的实现,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……,为什么能够省去变压器？,3.无变压器电路技术的实现,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； ⑤ EMC的问题； ……,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,,,,,,,,,,,,N,PH1,PH2,PH3,+,-,,,,,,,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,,,,,Vn   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,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： 10~20 In； 第二个峰值： 3~7 In； 第三个峰值： 1.5~3 In热(过载)保护或长延时保护： 防止电缆过热：1.05~1.30 In,磁(短路)保护或短延时保护 脱扣时间：=20 ms,,,,,,,,,,第一个电流峰值：10～20In：30ms,第二个电流峰值：3～7 In：1s,第三个电流峰值：1.5～3 In：1~3s,In：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）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，提高设备的可靠性 简化功率电路的元器件数量，减少大量易发生故障的电缆和连接，使可靠性得以显著提高 增加冗余的风扇和风扇控制，提高散热性能③ 可靠性差的问题,设计上的弥补,MTBF数据库： IEEE std 493-1997, NPRD91, U.S. Military Handbook 217, … 基本风险分析法(Preliminary Hazard Analysis) ： 鉴别风险并评估风险后果 基于故障效应和临界性风险的分析方法(Analysis of Modes of Failures from their Effects and their Criticality )： 部件故障对于整个系统的影响。

可靠性图谱 故障-树图； 专用故障分析软件④ 效率低的问题,新一代（第五代）低功耗IGBT： FS(Field stop场停止)结构，可显著降低开关损耗； 沟槽栅极(Trench Gate)结构，降低饱和压降Vce(2V,125°C) 补偿IGBT整流器的效率损失，提高可靠性； 改善EMCVce,开 关 损 耗,新一代（第五代）低功耗IGBT ： 静态损耗Vce降低38%(2.5V降低到1.8V) 动态损耗Ton+Toff上升16%,④ 效率低的问题,新一代（第五代）低功耗IGBT： 适当的开关频率，使损耗最低④ 效率低的问题,④ 效率低的问题,在低负载率下仍然实现高效率： 即使在低于50%的线性或非线性负载的情况下，也能实现高效率，这主要归功于:,负载率,效率,新一代IGBT模块低的传导损耗； 没有变压器的拓扑结构； 高技术输出滤波器； 自由频率斩波技术对于低频骚扰(例如变压器去磁、浪涌电压等)： 含有变压器的UPS 变压器降低过电压的影响 不含变压器的UPS 输入EMC滤波器：串联电感+共模电容组成滤波器 对于高频骚扰(例如雷电、电弧等)： 含有变压器的UPS 变压器不起作用，骚扰直接传送到输出端。

不含变压器的UPS 输入输出对偶的EMC滤波器将发挥作用； 紧凑的结构布局，提供更高级别的EMI保护，系统会具有更高级别的抗干扰性能⑤ EMC的问题,无变压器输出逆变器是一种自然演化趋势： 高频IGBT逆变器 产生光滑的正弦波电压输出，解决了滤波作用； 大功率IGBT-Boost直流升压 取代了变压器的升压作用； 可靠性，有无变压器是完全相同的 没有直流对负载（交流）的偏置影响 电子式直流分量检测，安全，可靠 由此带来的益处： 减小体积，节省空间 降低重量，易于搬运安装 降低损耗，提高效率 降低成本，节省投资 减少污染，净化电源,无变压器电路技术的实现,Galaxy 7000 简介 250KVA 到 500KVA,2008年10月,双转换拓扑结构，具有自动旁路； 全新的IGBT整流-IGBT逆变； 电池监测和手动-自动放电测试； 按照负载率来保护电池放电深度（浮动的终止电压）； 3个通信扩展插槽； 带动态模拟图的多语言、高分辨率显示； 带有时间标记的事件记录，含中文； 直接并联8台，公共旁路并联8台； 并联运行功率管理； 旁路谐波治理； 沿墙安装、使用寿命监测……,G7000主要技术规格-标准功能,,,,G7000主要技术规格,整机效率： 95% 输出功率因数P.F.: 0.9 容性负载的兼容性 输入THDI : 5% Max 占地面积：- 30% 灵活的通讯方式 智能化并联,500kVA提高2%效率= 每年节省5万。