UPS的输出方式

1. 单进单出（1/1）

　　单进单出（1/1）UPS主要是用于小功率，如PC机、服务器、通信设备等等，只有这种UPS也才有后备式、准在线式和在线式之分，其容量大都在100VA~10kVA之间。

2.三进单出（3/1）

1.三进单出（3/1）UPS的应用

　　单进单出（1/1）UPS所以不能将容量做得太大，主要是考虑到对输入三相电的平衡有影响。

2. 三进单出（3/1）UPS的优缺点

　　三进单出（3/1）UPS的优点是明显的，即它可以将单相输出功率平均分配到三相输入电源上去，避免了三相输入电流的不平衡；但它的缺点尤其是在容量较大时就显得特别突出，图1示出了三进单出（3/1）UPS的原理方框图，图中输入电压为3X380V/220V 50Hz，输出为单相220V 50Hz，假如要求输出功率为60kVA，那么分配到输入三相上的功率分别各为20kVA（假如系统的效率是100%），这样的分配乍看起来无可挑剔，也确实，在正常工作时不会出现任何异常现象。

图1 三进单出（3/1）UPS的原理方框图

　　当逆变器过载或短路时，将自动把负载切换到旁路上去，一旦此种情况出现，UPS就会将负载切换到三相输入的其中一相上去，假如是U_A相。原来这一相仅提供20kVA，而现在却提要供60kVA以上，是原来容量的三倍多。这就会导致输入断路器开关的跳闸，造成全盘停电。

3.三进单出（3/1）UPS的增容改进方案

图2 三进单出（3/1）UPS的改进方案{{分页}}

　　图2给出了三进单出（3/1）UPS的这个方案。由图中可以看出，这只是一个典型的三进三出UPS。在输出端线电压U_ab=380V上接了一只380V变220V的单相变压器，假如220V仍输出60kVA，传输效率仍设为100%，于是分配在输出U_a、U_b两相上的功率均各为30kVA，而传统双变换UPS输入U_A、U_B、U_C三相的功率仍各为20kVA。当由于某种原因而导致UPS转由Bypass供电时，旁路开关S闭合，这时输入电压U_A和U_B共同向变压器供电60kVA。可以看出：这时分配到该两相上的功率各为30kVA，而不是像前面那样把整个功率都压在一相上。因此输入电压U_A和U_B上的供电功率比平时仅增加了50%，而不是200%，这就大大减轻了对输入的压力。

    30kVAX3=90kVA

　　仅仅是前者的50%；不仅如此，另外第三相U_c仍可以应用，即仍可作为20kVA的电源应用，其各项指标和可靠性也和整个UPS一样。

　　就这样，将对三进单出UPS的要求变成了对三进三出UPS的要求。

4. 三进三出

　　当代大功率UPS几乎都是三进三出结构，传统双变换UPS结构都有输出变压器，因为它们的三相全桥变换输出如果不用变压器，就给不出三相四线制的输出电压。只有高频机、单变换结构和Delta变换结构的UPS才可以省去变压器。三进三出UPS的一个重要指标就是三相输出电压对100%不平衡负载的平衡能力，这也是近年来用户向UPS提出的新要求。图3示出了传统三相全桥输出电路结构示意图，由图中看出：输出“D”形连接中每一相的电流都和输入“Δ”连接变压器的三相电流有关，由于原来三相全桥逆变器的控制是统一的，意味着三相全桥逆变器功率管的导通情况是一样的。即使再加入了各相单独调整措施，由于输出变压器的关系也互相影响。

图3 传统三相全桥输出电路结构示意图

1. 三单相全桥式结构

　　图4示出了三单相全桥逆变器输出结构示意图，由于控制电路是按三相设计的，从总的效果看，还是标准的三相输出。不过，由于采用了多一倍的功率管，造价就贵了。

图4 三单相全桥逆变器输出结构示意图{{分页}}

2. 均分变压器式输出结构

　　分布变压器式输出结构的原理就是在输出变压器上想办法。图5示出了均分输出变压器输出结构示意图，这种变压器从原理上和结构上与普通“D-Y”三相变压器没有大的区别，只是将变压器三个臂AB、BC、CA的次级绕组各分成相等的两部分，每半个绕组的电压都是110V，即：

　　U_AB的次级电压：U_ab=1/2U_ab+1/2U_ab=220V                                    (1)

　　U_BC的次级电压：U_bc=1/2U_bc+1/2U_bc=220V                                    (2)

　　U_BC的次级电压：U_ca=1/2U_ca+1/2U_ca=220V                                    (3)

　　当组成三相输出时，将各绕组进行适当的交叉分配到各相电压上去，但电压值不变，如图5所示：

　　U_A=1/2U_ab+1/2U_bc=220V                                               (4)

     U_B=1/2U_bc+1/2U_ca=220V                                               (5)

     U_C=1/2U_ca+1/2U_ab=220V                                               (6)

　　这样的组合也仍然满足：

    U_AB=U_BC=U_CA=380V                                                   (7)

图5 均分输出变压器输出结构示意图{{分页}}

　　由图中还可以看出：每一相上的负载电流所流过的两个绕组，是对应两个初级绕组的，比如I_A所流过的两个绕组电压1/2U_ab和1/2U_bc是分别属于初级的AB和BC两个臂。也就是说：这个变压器的功能是可以把一相的负载电流平均分配到输入的两个相上去，而这两个臂上的电流又被分配带三相全桥的三个臂上，这样一来就把一相上的负载分配到逆变器的三个桥臂上去了。经计算表明：这种结构在极端的情况下，比如一相满载而其他两相空载，在逆变器的三个桥臂上的最大不平衡度≤50%，这恰恰是电路所允许的界限。

　　这种结构的最大优点就是比前者提高了可靠性，原因是：变压器是由铜和铁构成，其可靠性是半导体器件所无法比拟的。而且，只要将变压器次极的绕组稍微变一下，就可将原来只允许三相负载的不平衡度为50%的UPS改为允许三相负载的不平衡度为100%的设备。

3.半桥式逆变器输出结构

　　上面所讨论的全桥式逆变器输出结构有一个共同的要求，那就是必须有输出变压器，否则，就无法提供给用户所需的3X280V/220V电压。APC公司的SILCON UPS的三相半桥输出结构就解决了上述的困难，如图6所示。这种结构的桥臂和器件并未减少，只是三个桥臂各自是独立的结构，并独立的向负载输出电压。如图6所示，该电路与全桥输出结构相比，有几个不同的特点：

　　①无输出变压器就已满足了输出3X280V/220V电压的条件。零（地N）线上有着难以克服的高次谐波。

　　②必须用两组电池：半桥结构省去了变压器，却增加了一组电池（在同等后备时间的情况下，虽然电池数量加倍，但容量要减半），改善了电池的工作条件。

　　③可容许100%三相负载不平衡。由于三个桥臂各自是独立的结构，它们的输出都单独和零（地）线形成220V的输出相电压，故对要求220V供电的负载来说，在容量允许的前提下，可以随便连接，不受是否平衡的限制。加之三相分别调节，故适应100%三相负载不平衡的能力很强。

图6 三相半桥输出结构原理图