基于Delta逆变技术的UPS应用

作者：田建平(维谛技术(西安)有限公司,西安710075)时间：2022-03-03来源：电子产品世界收藏

编者按：本文主要阐述了基于Delta逆变技术的UPS的工作原理，重点分析其所采用的Delta变换器的工作过程，搭建了整个系统的测试环境，根据搭建平台进行了相关实验。实验的结果基本验证了Delta变换型UPS对市电电压、电流的调节和补偿功能。

随着电力电子技术的发展，出现一种全新的UPS（不间断电源）拓扑——Delta 变换型UPS。这种UPS 由两个变换器构成，既保留了传统在线式UPS 的全部在线功能和高质量输出电压，又使得很多关键性能指标得到改善，它不仅消除了对电网的污染，更重要的是输出能力高、可靠性强，可以说是目前比较理想的UPS 系统^[1]。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202203/431663.htm

基于Delta 逆变技术的典型产品是APC 公司的Silcon 系列UPS，Delta 逆变技术保持了传统双变换在线式UPS 的全部高性能输出指标的同时，对电网适应能力和输出能力两个方面有了重大改进和突破，真正实现了零转换时间和高输入功率因数，大大降低了对电网的污染程度^[2]。电路结构采用串并联的高频双向变换技术^[3]。虽然传统在线式的技术已经非常成熟，但由于本身带有许多无法突破的问题，发展受限^[4]。高频化概念的引入，给UPS 的发展带来了许多新的思路和空间，随着高频技术和器件的发展，3 kVA（千伏安）及以下的高频率在线式UPS 的技术和产品己经成熟，其功能和可靠性均高于传统UPS，高频率对于减小体积、降低成本，以及对非线性负载有更好的响应上起着重要的作用^[5]。

虽然Delta 变换式UPS 具有输入频率不可变，抑制浪涌的性能比较差等缺点，但是和双变换式UPS 相比，还是体现了自身的一些特色：Delta 变换器相当于一个DVR（串联型动态电压调节器），不但可以补偿市电和负载的电压差值，还可以对市电电压的谐波、闪变、三相不对称等进行补偿，甚至还能对功率因数进行校正。APC 公司Silcon 系列UPS 采用Delta 变换器，具有料耗省，效率高等优点，其在性价比上极具优势。

1 UPS工作原理

在分析该UPS 的工作原理之前，必须先了解一种带串联电压补偿器的在线互动式UPS，其主电路结构如图1所示。

图1 带串联电压补偿器的在线互动式UPS

变压器T1 从变压器T2 上取电压，经过隔离后补偿Vin，通过触点S 的移动来调节补偿电压的大小和正负，从而稳定Vout。该UPS 主要对Vin 的过压和欠压进行补偿，由于电流处于不可控状态，所以此UPS 没有谐波的抑制能力，没有很好的过载保护功能，当然也无法对功率因数进行校正，加上Vout 的调整是依靠机械触点来完成的，所以输出电压的精度也很差。为了解决以上问题，采用电流可控的Delta 变换器，成功地克服了上述缺点，并利用了这种在线式UPS 效率高，成本低的优点，其主电路结构如图2 所示。

图2 UPS的主电路结构组成图

为了方便控制，不需要把Vout 和Vin 的差值作为主要的控制对象，而是用主逆变器直接产生输出电压Vout，Delta 变换器被动补偿Vout 和Vin 的差值，控制输入电流，起抑制谐波和校正功率因数的作用。为对付不对称的负载，采用三相独立控制的策略。

1.1 UPS的系统组成

从主电路可知，UPS 由主路和旁路两个静态开关、共用直流母线的Delta 逆变器和主逆变器、串联的Delta变压器组成。主路上的静态开关STS1 控制开机时的电容充电、输入掉电时的保护、主路和旁路的切换，以及转电池的工作过程。两个逆变器的作用如下所述。

主逆变器的作用：

①在Vin 频率和电压允许波动的范围内，提供相位和频率与Vin 相同的输出电压Vout；

②作为一个电压源，具有很小的内阻抗，在Delta变换器的作用下，可以被动地补偿谐波电流；

③在Vin < Vout 和Vin = Vout 情况下提供给电池充电的电流；

④在过载情况下提供部分负载电流，实现联合供电模式；

⑤在电池工作模式下，提供输出电压和电流。

Delta 逆变器的作用：

①控制输入电流，实现电池充电、输出负载电流和主逆变器补偿电流之间的平衡；

②控制输入功率因数为1；

③作为一个电流源，具有很大的阻抗，主逆变器稳压的作用下，可以被动地补偿谐波电压和输入波动造成的电压差；

④输入过压时，通过Delta 变换器给电池充电，如果电池是满的，则多余的能量通过主逆变器供给负载；

⑤输入欠压时，加大逆变器的输出电流，让主逆变器从回路中吸收多余的能量供给电池，并传递给delta变换器。

1.2 实现输入电压补偿、功率因数校正和谐波抑制的Delta变换器

我们先看一下一般变压器的工作过程，如图3 所示。

图3 变压器工作图

如果变压器二次侧Load1 为纯电阻负载，则Vin 和I1、I2 同相位，Vin 的输出功率因数为1，能量从Vin 向Load1 传递；如果变压器二次侧为Power，一次侧为电阻负载Load2，则I2 和I1 一样同相位，能量从Power向Load2 传递，Power 的输出功率因数仍然为1。

上述变压器的两种工况对应于Delta 变换器工作时的Vin>Vout 和Vin<Vout 两种情况，不同的地方是图3 中的Load1 和Power 都是Delta 逆变器，而图3 中的Vin 则是图2 中的Vin － Vout。Delta 逆变器的任务是产生与图3 中Vin 同相位的电流I2，由于Vin 和Vout 也同相位，所以I1 和Vin － Vout、Vin 都是同相位的，从而实现功率因数校正的目的。图4 是DP310E 在一个工况下的工作波形。a 图中CH1 为Delta 变压器一次侧流经的电流I1，CH2 为Delta 变压器二次侧流经的电流I2，CH3 为输出电压Vout，CH4 为Delta 变压器一次侧两端的电压；b 图中CH1 为主逆变器输出电流，CH2 为UPS 输出电流Iout，CH3 为输出电压，CH4 为CH1 －CH2 的波形（即输入电流波形）。由于测试的时候，I1和I2 是按同名端的输入来测的，所以相位是相反的。图b 说明主逆变器为一个很好的并联型有源滤波器，提供无功和谐波电流，这个电流和Iout 组成波形为正弦，相位和Vin 一致的Iin，完成功率因数校正的功能。

(a)

(b)

图4 V_i_n＝190 V，48 Hz，带70％对称整流滤波负载下的工作波形图

很明显，I2 和I1 的比例就是变压器的变比，由于Delta 变压器在主电路中只承担最大15% 的额定电压（取Vout），所以选二次侧为升压的设计，这样可以取较小的I2，选择电流较小的功率模块节约成本。UPS 的Delta 变压器变比为1:5，逆变器的功率模块是MG15Q6ES42（15 A/1200 V）。从Vout 为交流220 V可以推算出Delta 变压器的参数：一次侧额定电压33 V，二次侧额定电压165 V，容量为500 VA，铁心材料为硅钢片。

谐波的抑制：对一个变压器而言，要使其输入消耗的电流最小，只有一种办法：空载。所以在Vin 存在谐波含量的时候，Delta 逆变器仍然只输出基波电流，由于谐波电压没有谐波电流的消耗，Delta 变压器一次侧的谐波电压相当于遇到空载励磁阻抗，谐波电流很小。

1.3 工作过程（能量流分析）

开机过程由以下几步完成。

①静态开关STS1 的软启动：逐渐增大其导通角，主路通过Delta 变压器T 的一次侧和主逆变器的输出滤波电感L，以及主逆变器中的续流二极管对电容器C 进行充电，直到STS1 完全开通，电容器电压升至±311 V，这个过程Delta 逆变器和主逆变器均未工作。

②主逆变器的高频整流继续给电容器充电：这个过程是为了满足64 节蓄电池所需的±360 V的电压要求。

③电容器电压升到±360 V 时，系统通知电池开关合闸，开始进入一分钟的等待，这时主逆变器继续整流充电，充电结束时的直流母线电压与Vin 有关，最大不超过设定的438 V。

④一分钟的等待结束后，系统显示system off，提示机器可以启动，这时STS1 关断，如果不按下启动按钮，则电容器上的电荷会通过并联的电阻逐渐消耗，最终出现Low DC Shutdown。（为什么要这么做）

⑤启动：按下启动按钮，电池开始建立Vout（在Vout 建立之前，STS1 和Delta 逆变器仍然是关断的）。Vout 建立起来后，STS1 和Delta 逆变器开启，结束开机。

在无电池情况下，下列工况会造成开机失败。

① Vin < 200 V。这是因为在Vin < Vout 条件下开机时，Delta 变换器需要从二次侧向一次侧传输能量，这个能量只能由电容器提供，而这时电容器已经给主逆变器提供能量，造成电容器电压严重下降，出现Low DC Warning 和Low DC Shutdown 关机。

②加了负载。在STS1 和delta 逆变器开启之前，电容器的能量无法稳定住Vout，致使直流母线严重下降，出现Low DC Warning 和Low DC Shutdown 关机。

从前面的分析可知Delta 变压器具有能量在两侧双向流动的功能，I2 永远与Vin 同相位，如图5 所示。Delta 变换器的运行分四种工况。

图5 delta变换器工作框图

Vin > Vout：能量从Delta 变压器一次侧向二次侧传输，Delta 逆变器相当于一个纯电阻负载，这个负载消耗的能量是给电池充电或者给主逆变器输出，能量流如图6 所示。

图6 Vin > Vout时，DP310E的能量流(电池不充电)

Vin < Vout：能量从Delta 变压器二次侧向一次侧传输，Delta 逆变器相当于一个发电机，提供最大15％的补偿能量，由于Iin、Vin 与Vout 严格同相位，所以此发电机相当于带一个电阻负载，Delta 逆变器的输出电流也必然是正弦基波，能量流如图7 所示。

图7 Vin < Vout时，UPS的能量流(电池不充电)

从图6 和图7 可以看出，Delta 变换器是用15％的能量控制100％的能量流动。

Vin = Vout ：Delta 变压器两侧电压为零，电流是基波，有效值由负载电流和电池充电电流决定，Delta 变压器两侧呈现很低的漏阻抗，能量流如图8 所示。

图8 Vin＝Vout时，UPS的能量流(电池充电)

Vin中存在谐波的情况：I2 中无谐波电流通过，具体的细节还未测试。

图9 ～图11 列出Vout = 220 V，f = 54 Hz，60% 对称阻性负载，Vin 从大到小变化时，Delta 变换器的电流电压波形。

图9 Vin＝237 V波形图

图10 Vin＝190 V波形图

其中CH1、CH2 为Delta 变压器一次侧电流Iin、二次侧电流I2 波形，CH4 为Delta 变压器一次侧电压Vin － Vout。

图11 Vin＝220 V时，Iin、I2、Vin－Vout波形图

从图11 可以看出，Iin、I2 随Vin 的增大而减小，因Iin还控制着输出电流和电池充电的平衡，所以Delta逆变器的输出电流I2 的受控量为：Vin － Vout、Iout 和电池电压Vdc。

2 结论

在UPS 工作中，Delta 逆变器都必须提供与Iin 相对应的基波电流I2，否则在主逆变器的作用下，Delta变压器表现不了所需要的电流源性质，而使能量流发生变化。如果通过I2 控制的Iin 有效值小于Iout 有效值，必使得主逆变器输出电流加大，这种工况适合于Vin > Vout，或者过载时电池和Vin 联合供电的方式；如果I2 控制的Iin 有效值大于Vout 有效值，则必有Vin < Vout，或者Vin = Vout 时电池充电。由于Delta 变压器一次侧的额定电压是33 V，所以在Vin 出现短路的情况下，STS1 必须尽快关断，才能稳定Vout。