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UPS逆变器

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作者:时间:2007-12-11来源:电子元器件网

  逆变器是的主要组成部分。由于整流器已将交流输入电压变成直流电压,而负载所需的是交流电压,就必须有一种电路再将该直流电压变回交流,执行这个任务的装置就叫逆变器。逆变器电路的种类很多,在中常见的有推挽变换器、半桥逆变器、全桥逆变器、双向变换器等。

1.直流变换器

  直流变换器是一种最简单最基本的逆变器电路,主要应用于后备式中,它分为自激式和它激式两种。

1.自激式推挽变换器

图1 自激式直流推挽变换器

  图1(a)所示是自激式直流推挽变换器电路,所谓自激就是不用外来的触发信号,UPS就可以利用自激振荡的方式输出交流电压,其交流电压的波形为方波,如图1(b)所示的波形UN。UN是当电压E为额定值时的输出情况(其中阴影部分除外)。自激直流变换器电路主要用于对电压稳定度要求不高但不能断电的地方,如电冰箱、紧要照明用的白炽灯、高压钠灯和金属卤素灯等,供电条件差的农村居民也有不少采用了这种电路作不间断。由于它的电路简单、价格便宜、可靠性高,故也很受欢迎。

  该电路的工作原理如下:在时间t=t0加直流电压E,这时由于晶体管V1和V2的基极电压

  Ub1=Ub2=0,                                                       (1)

  所示二者不具备开启条件,但在它们的集电极和发射极之间却都有漏电流,如图中的I1和I2所示,且二电流在变压器绕组中的流动方向相反,由于器件的分散性,使得

  I1-I2=ΔI≠0,                                                        (2)

  这个差值电流ΔI就在绕组中产生一个磁通量,于是就在基极绕组中感应出电压Ub1和Ub2,由同名端的标志可以看出,这两个电压的极性是相反的,即一个Ub给晶体管基极加正电压,使其开通,另一个Ub给另一个晶体管基极加负压,使其进一步截止。电路的设计正好是漏电流大的那一个晶体管基极所感应出的Ub给自己基极加正压,而漏电流小的那一个晶体管基极所加的是负压,基极加正压管子的集电极电流进一步增加,又进一步使它的基极电压增大,这样一个雪崩式的过程很快使该管(设为V1)电流达到饱和值,即V1集电极-发射极之间的压降UCE1=0,绕组N1和N2上的电压也达到了最大值UN1=UN2=E,此后由于磁芯进入饱和阶段,磁芯中磁通的变化量减小,各绕组感应的电压也相应减小,原来导通的管子由于集电极电流增大(磁芯饱和所致)和基极电流减小而脱离饱和区,使绕组感应的电压进一步减小,这样一个反变化过程使得V1雪崩式地截止而V2达到饱和,如图1(b)t1所示。而后就再重复上面的过程,于是就形成了如图1(b)所示的方波波形。有时为了使启动更快和更可靠,就加一个RC启动触发环节。

  该电路方案的不足之处就在于它的不稳压。它的输出电压随着电压E的高低起伏,如图1(b)UH阴影部分所示的情形,如果电源电压E一直这样高,其输出电压也就一直高。若电源电压E降到UL这样低的水平,如图1(b)UL阴影部分所示,则输出电压也跟着低下去。因此,这种电路方案在以后的后备式UPS中就不被采用了。{{分页}}

2.它激式推挽变换器

图2 它激式推挽直流变换器电路原理图

  由于自激式推挽变换器不能满足输出电压稳定的要求,它激式推挽变换器就得到了广泛地应用。所谓“它激”就是电路的振荡工作是由外加控制信号的激发而实现的。图2(a)所示的就是它激式推挽直流变换器电路原理图。由图中可以看出,前面自激式推挽变换器的基极反馈绕组被取消了,代替它的功能的环节是电源控制组件IC,在早期用的是TDA1060,后来多采用LM3842或LM3845等。采用电源控制组件IC发出方波控制脉冲使UPS工作,在变压器输出端有一个与输出电压成正比的反馈信号回送给IC,使其根据输入端电压的变化和输出负载的变化来调整控制脉冲的宽度,以保证输出电压稳定在设计范围内。

  下面就介绍一下该电路的工作原理。

  当接通电源控制脉冲时,电源控制组件IC开始工作并发出方波控制脉冲,使推挽变换器的两个功率管按照脉冲的同样宽度输出方波电压,设在E为额定值时,UPS的输出电压也为额定值,如图2(b)输出波形图中粗线所示的波形UN,设此时的输出脉冲宽度为δ2,如果由于某种原因使电源电压升至UH,这时的测量与控制电路就会自动将控制信号的脉冲宽度由δ2减小至δ1,如图2(b)UH阴影所示,以保证输出脉冲电压的面积不变,即

                                                    (3)

  时,输出电压不变。同样,当由于某种原因使电源电压降低到UL时,这时的测量与控制电路就会自动将控制信号的脉冲宽度由δ2增大到δ3,如图1(b)UL阴影所示,以保证输出脉冲电压的面积不变,即

                                                    (4)

  由此就得出了维持输出电压稳定的条件为:

                                               (5)

  当输出端负载变化时,由于输出线路和UPS内阻的共同作用也必然导致输出电压的变动,这种瞬间地变动通电压过反馈电路送入电源控制组件IC的相应输入端,经比较和转换后,去改变控制脉冲的宽度,以保证输出电压的稳定。

  由这种它激式推挽变换器输出的具有稳压功能的脉冲电压波形称为准方波,以区别于不具稳压功能的自激式直流变换器输出的波形。有的将准方波叫成阶梯波,这是一种误会,所谓阶梯,如图3所示(该图是将上图一种电源电压UN或UH或UL的情况单画出来的波形)。而实际上并非如此,因为输出电压分正半波和负半波,并且每个半波仅有一个台阶,不在阶梯定义范畴之内。是否可以当阶梯来看呢?不可以。因为若把该半波当成阶梯波来看,就必须将基线移到最上端或最下端,不论移到哪一端,电压都变成了单极性的值:正半波或负半波。这和正负半波交替的事实完全不符,因此阶梯波之说是一种误会。{{分页}}

图3 准方波输出电压波形

  准方波输出电压波形的采用又引出另一个误会,有不少工程师和用户在对输出电压的测量中发现原来应该220V的电压变成了难以相信的值,或者是170V,或者是190V等。于是就怀疑UPS的正确性,甚至认为UPS出了故障。实际上问题就出在测量表上,普通的电压表大都是在正弦波失真很小(比如<5%)的情况下给测量值定义的,而且这些表也不是测量的有效值。准方波是失真非常大的正弦波,普通表根本无法用,只有用可以测有效值的仪表才行,如FLUKE-87或相应的示波器、计算机等才能反映出它的实际值。

2.桥式逆变器

  桥式逆变器名称的来源是它的电路结构形式很像“惠斯登”电桥。由于对输出电压要求稳定的原因,故桥式逆变器的触发方式几乎都是它激。在线式UPS多采用桥式逆变器,因为它有着比推挽变换器更大的优点。比如推挽变换器功率管上的电压为电源电压的2倍,更加上状态转换时的上冲尖峰,要求该器件的耐压就更高,这样以来不但增加了器件的成本,而且也由于功率管工作电压的提高,降低了它的输出能力,因此用在后备式UPS上居多。桥式逆变器就克服了这些缺点,并且根据要求的不同,电路又分成半桥逆变器和全桥逆变器,下面将分别进行讨论。

1.半桥逆变器

  所谓半桥逆变器实际上电路的结构形式也是桥式的,所差的是两个桥臂上的器件不同。图4所示的是半桥逆变器结构及电原理图,图4(a)是它的电原理图,图4(b)是它的输出波形图。由图中可见,电桥的左边由电容器构成,右边由功率管构成,输出端就设在两电容器连接点和两功率管连接点之间。下面就讨论一下它的简单工作原理。

(a)电原理图                               (b)输出波形

图4 半桥逆变器结构及电原理图

 

  假设电路已处于工作的准备状态,即电容C1和C2已充满电。在时间t=0功率管V1被打开,电流I1由电容器C1的正极出发,如空心箭头所示,流经功率管V1、变压器Tr初级绕组N1的BA、回到C1的负极,一直到t=t1,形成正半波,如图4(b)所示。在t=t1时,V1由于正触发信号的消失而截止,此时正触发信号加到了V2的控制极,使其开通,电流I2由电容器C2的正极出发流经变压器Tr初级绕组N1的AB,如图中的实心箭头所示,可以看出这时的电流方向是相反的,电流I2通过变压器后流经功率管V2的集电极-发射极回到电容器C2的负极,一直到t=t2由于触发信号消失而截止,这一过程形成了负半波,如图4(b)所示。以后就再重复上面的过程,于是就形成了一系列连续不断的正弦波。

  上面只简单地讨论了交流输出电压形成的过程。但从这里并看不出是如何产生正弦波的,为了使读者有一个整体的概念,有必要将形成正弦波的简单原理做一介绍。

  早期UPS产生正弦波的方法比现在要复杂很多,由于早期的逆变器功率器件和技术所限,只能产生方波或准方波,而后再利用庞大的滤波器将它们滤成正弦波,后来为了减小滤波器的体积和重量,从电路上采取了多个方波叠加成阶梯波的方法,虽然减小了滤波器,却增加了逆变器的数量,UPS的体积、重量仍然很大,同时也使得噪声大、效率低等。{{分页}}

  高频大功率器件的出现使UPS发生了根本的变化,脉宽调制(PWM)技术就是在这样的条件下产生的。图5所示的就是脉宽调制波(PWM)产生的机理过程简图,正弦波输出电压的产生要经过几个阶段。

图5 脉宽调制波(PWM)产生的机理过程简图

 

  (1)产生方波  UPS本省要有一个本地振荡器,目的是使UPS的电路工作节奏有一个统一的标准。一般的原始振荡器多是张弛振荡器,它们所产生的波形都是方波。

  (2)产生三角波  该波形是脉宽调制技术所需要的,它是利用积分电路将方波转换成三角波,如图5(a)所示。图中示出了方波(细线)和三角波(粗线)的关系。

  (3)产生正弦波  因为UPS的输出电压波形除有特殊说明外一般都是正弦波,在以往的UPS中,正弦波的产生有几种方法,有的采用复合电路,后来又出现了专门的集成电路,这就省去了组成电路的麻烦,还有的利用软件的方法产生。

  (4)产生脉宽调制波  因为在UPS中影响其价格的主要是效率和体积。转换效率低就必须采用复杂的散热措施,工作频率低就必须采用大滤波系数的滤波器,滤波用的扼流圈和电容器就非常笨重且造价高。脉宽调制技术的高频操作有效地解决了上述的问题。在这里利用三角波和正弦波的共同作用而产生出脉宽调制波。如图5(b)所示是将三角波和正弦波进行比较的比较器,由图中可以看出,正弦波信号加比较器的同相输入端(+),三角波加在比较器的反相输入端(-)。图5(c)的图形表示出了脉宽调制波形成的原理。当正弦波的包络高于三角波时,比较器就输出正脉冲,反之就输出0,负半波的原理与过程与正半波完全相同,故不重复。这样以来就把复杂的正弦波输出电压生成过程变成了简单的高频等幅脉宽调制波。同时也使逆变器的工作得到了简单化,从此就使UPS进入了一个崭新阶段。

  (5)输出正弦波的形成  图5(a)~(c)所示是逆变器控制信号的形成过程,逆变器功率管就按照控制信号的规律进行工作,使逆变器的输出波形呈现图5(d)的脉宽调制波的形状。该脉宽调制波的解调也很简单,只需在输出端接一适量的滤波电容就可以了。其滤波后的波形如该图中的正弦波所示。

  (6)输出电压的稳定  上面介绍了正弦输出电压波形的产生,一般要求UPS是一个电压源,即要求它的输出电压是稳定的。在脉宽调制波中是如何实现输出电压稳定的呢?由图5(c)可以看出,既然脉宽调制波的产生是由于三角波和正弦波比较的共同作用结果,那么二者中任何一个的幅度变化都可导致输出脉宽调制波宽度的变化。但在比较器中为了保证比较波形的质量,一般不主张变化波形,而是采用改变比较波形基准电压的方法来实现稳定电压的调整。图6所示就是稳定输出电压的波形调整原理图。这里采用的是变化三角波基准电压的方法,下面就进行简单地讨论。

图6 稳定输出电压的波形调整原理图

  为了方便讨论,只看一个脉宽调制波的情况,如图6所示,设定在额定输出电压时,三角波的基准电压是UN,换言之是三角波形叠加在一个直流电压UN上。因为稳定调节都需要反馈信号,于是就把这个电压UN作为UPS输出额定电压时的反馈信号,这时作为例子的一个脉宽调制波宽度为tN。当输出电压升高时,设负反馈信号电压UN升高到UH,使三角波电压有一个上升量:

  ΔU=UH-UN                                                       (6)

  就是说在比较器的输入端正弦波保持不变的情况下三角波向上平移了ΔU,就必然导致在这一点上正弦波高出三角波的区域减小,使脉宽调制波的宽度由tN减小到tH,经过几个过程后使已升高的电压返回正常值,如图上所示。当输出电压降低时,三角波的基准电压降低,使正弦波高出三角波的区域变大,使脉宽调制波的宽度由tN增大tL,同样经过几个过程后使已降低的电压返回到正常值。

2.单相全桥逆变器

  上述的半桥逆变器具有比推挽变换器工作电压低的优点,但由于一个桥臂由电容构成,这就决定了它的输出功率不会很大。因此在要求输出功率较大的场合,比如500VA以上时,一般都采用全桥式逆变器电路结构。全桥式逆变器电路结构又分为单相桥和多相桥。单相桥多用于小功率的单进单出UPS中,一般在10kVA左右,在特殊情况下,比如三进单出UPS中也有大功率,比如30kVA或以上。不过在大功率时多用三进三出全桥式逆变器电路结构。

图7 单相全桥逆变器电路结构图

  图7所示就是单相全桥逆变器电路结构图。它和半桥电路的不同之处仅在于其桥臂都是由具有开关功能功率管构成,如图7(a)中的V1、V2、V3和V4,这样一来就赋予了电路以更大的输出功率能力。在半桥电路中无论那一只功率管开通,流过它的电流还要通过一只电容器,随着电容器电荷量的增加,电容器上的电压也在逐渐升高,这时的电流也会随着时间而变化,就必须增加电容器的容量或减小功率管的开通时间。电容量的增加会造成设备体积的增大和寄生参量的增大。频率的提高又会提高对功率管的要求。因此限制了它的功率的提高。{{分页}}

  在全桥时,就顺利地解决了上述这些问题。因为在全桥时的功率管开通是成对的,如图7(a)所示,V1、V4和V2、V3是成对导通的,比如V1、V4被触发而开通时,电流I的流经途径是:

  I由E的“+”极出发→V1集电极—发射极→变压器初级绕组AB→V4集电极—发射极→回到E的“-”极,如图7(b)所示的正半波。

  同样当V2和V3被触发开通时,电流I的流经途径是:

  I由E的“+”极出发→V2集电极—发射极→反向通过变压器初级绕组BA→V3集电极—发射极→回到E的“-”极,形成如图7(b)所示的负半波。

  由这个简单的过程可以看出,不论哪一对管子开通,电流I的路径上都没有任何使其变化的因素,只要触发信号足够强,这个电流就可以一直不变地维持下去。换言之,输出功率也就得到了保证。在无输出变压器的情况下,对脉冲宽度和调制频率的要求就更不严格。当然是在满足要求的情况下。

3.三相桥式逆变器

  在大功率的情况下,比如10kVA以上,就多采用三相桥式逆变器。三相桥式逆变器又分为三相全桥和三相半桥,这两种结构在UPS中都有应用。下面就分别做一介绍。

1.三相全桥逆变器

图8 三相全桥逆变器电原理图

  图8所示就是三相全桥逆变器的电原理图。由图中可见,三相全桥由6只功率管构成,这种结构的UPS逆变器后面一般都有一个隔离变压Tr,这是因为通常的用户多是采用380V/220V三相四线制,而220V则是火线与0线之间的相电压。可是三相全桥逆变器的输出三条线都是火线,必须通过“D-Y”变压器将三相三线制转换成三相四线制。这个变压器大都只是一个普通的电源变压器,只起对工作电压隔离和边压的作用,而不能隔离干扰。

  它的工作和单相全桥一样,也是两只管子同时导通,它们的导通配对情况是:V1V5、V1V6、V2V4、V2V6、V3V4和V3V5,其脉宽调制波经滤波后就得出如图9的三相全桥逆变器输出波形UOUT。三相全桥逆变器的控制方式以前多为三相统一控制,这就造成了对输出端三相不平衡负载的限制,就有的要求三相负载的不平衡度不要超过50%。但三相负载极度不平衡的情况是经常发生的。比如UPS三相输出电压中有一相满载而其他两相空载或轻载,就会造成满载的那一相电压降低,于是逆变器控制电路就要按照负载最重的那一相调整功率管的开关时间,以使降低了的电压恢复到正常值。这样调整的结果,在重载的一相恢复到正常值的同时,也抬高了空载或轻载的其他相的电压,就造成了所谓的“三相不平衡”。为此,有的UPS制造商对控制电路进行了重新设计,将统一控制改成了分别控制,改善了原来的功能,但仍不够理想,因为三相全桥逆变器的输出变压器是“D”连接,这种结构又将三个桥臂有机地连接起来,因此就导致了三相电压的相互牵制,换言之,调整任何一相必然会或多或少地影响其他相的电压。不过只要细心地调整就可以将不平衡度减到最小。

图9 三相全桥逆变器输出波形

2.三相半桥逆变器

图10 三相半桥逆变器电原理图

  为了减小由于三相负载不平衡而造成的三相输出电压的差异,半桥电路是一个很好的解决方案,图10所示就是三相半桥逆变器电原理图。从这个电路中明显看出,电路的功率管并未增加,只是将电路换了一种接法。功率管虽未增加,但电池却多增加了一组。这样的一种改变就使UPS真正地具有了适应三相负载100%不平衡的能力。由图中看出,原来的三个桥臂V1、V4、V2、V5和V3、V6的输出是各自独立的,各自与中线N之间形成了独立的相电压输出。现以V1、V4为例把简单的工作原理介绍一下。

  当V1开通时,电流的流经途径是:

  UB+“+”→V1→L3→负载→中线N→UB+ “-” (UB-“+”),形成正半波。

  当V4开通时,电流的流经途径是:

  UB-“+”→中线N→负载→反向通过L3→V4→UB-“-”,形成负半波。

  其他两个臂的工作情况完全相同,不再重复。由上面的介绍可以看出,半桥电路与全桥电路的区别如下:

  ①半桥电路由一个臂就可以形成正负半波,比如V1和其他臂上的功率管不发生任何关系。而全桥电路V1导通时和V5、V6都发生关系。

  ②半桥电路的输出本身就是具有中线的三相四线制结构,可以不加输出变压器。而全桥电路必须加输出变压器。

  ③半桥电路需要两组电池,而全桥电路只需一组电池。

  ④由图11也可以看出,半桥电路的每一组输出电压均需经过一个LC滤波器将脉宽调制波解调成正弦波,在解调过程中,每次谐波经电容器的低阻抗旁路到中线N,又由于三相输出电压在相位上互差120º,不能将高次谐波互相抵消,所以其中线N上具有不易消除的高次谐波。

3.三相半桥与单相半桥的不同

  三相半桥逆变器和上述的图4所示的单相逆变器也是有区别的:

  ①上述的单相半桥逆变器虽然也可形成正负半波,但它的输出电压是悬空的,即其输出的两条线都是火线,而三相半桥电路的输出电压就已具备了一零三火的要求。

  ②上述单相半桥逆变器每一个功率管的导通电流都通过一只电容,故限制了它的输出能力。而三相半桥电路每一个功率管的导通电流通过的是蓄电池,所以输出功率可以很大。是否可将单相半桥逆变器电容器换成蓄电池呢?当然可以。不过从经济上讲是不划算的,因为单相半桥逆变器所以采用两只电容,就是为了在小功率输出时的最简电路和最低造价。

  当然,为了满足三相负载100%不平衡的要求还有采用三个单相全桥电路的组合以及改变变压器结构来实现等。

4.双向变换器

  逆变器的概念来自三端口和在线互动式UPS。因为在这些UPS的结构中已经取消了单独的输入整流器/充电器。整流器/充电器和逆变器的全部功能都由双向变换器一身完成。图11所示虚线方框内就是构成三端口UPS的双向变换器电原理图。由图中可以看出,它就是用于所有UPS中的一个普通逆变桥电路结构。但在这里的作用又赋予了新的含义和功能,在市电故障而改由电池放电时,双向变换器的作用就是逆变器,其工作过程和其他UPS的逆变器完全一样,其中二极管VD1~VD4的作用是:在功率管由导通而转为截止的瞬间在变压器绕组上将有反电势出现,二极管就是将反电势泄放回电池。比如V1、V4导通时,变压器Tr的绕组AB的电势极性为A“-”、B“+”,在V1、V4截止的瞬间在该绕组中激起的反电势极性变为A“+”、B“-”,此反电势会影响电路的正常工作和器件的安全。但由于二极管VD1~VD4的存在,这个电势就可以通过A“+”→VD2→UB→VD3→B“-”形成泄放回路,将绕组中的储能回授给电池,从而保证了下一周期V2、V3的顺利开启。V2、V3导通和截止时的过程完全一样,不再重复。

  VD1~VD4除了具有泄放作用外,由于它又是一个整流桥结构,故在这里又可作为整流桥。三端口或在线互动式UPS平时由市电UIN供电时,在变压器Tr次级绕组AB上就出现了经降压后的交流市电电压,这个交流电压经VD1~VD4整流桥整流后给电池UB充电。

  由上述的介绍可以看出,这种双变换器整流时不逆变,逆变时不整流。

图11 三端口UPS的双向变换器电原理图

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关键词: UPS 电源

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