UPS设备的无变压器技术分析

1 引言
近几年来，电力电子设备技术飞速发展，这与功率器件性能的提高、新器件的不断出现以及电力电子设备本身的创新有着密切的关系。近50年中，UPS设备随着功率半导体器件的发展进步，经历了由多个输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程，而功率更大、性能更优的大功率IGBT器件和更先进的控制技术的出现，为UPS设备从根本上去掉输出隔离变压器提供了物质条件和基础，使UPS设备在高频化、小型化、节能化和绿色环保化等方面取得了长足的进步，这就是人们常说的“高频机”。这类机型集中体现了UPS电路技术的发展进步，代表着UPS技术的发展方向。它们与传统的、带有输出变压器的UPS相比较，则在进一步缩小体积、减轻重量、改善性能、提高效率和降低成本等等方面，都取得了明显的改善和进步。
2 UPS电路的演变及其电路技术的发展历程
初期的UPS输出逆变器都是带有输出变压器的，因为当时的UPS逆变器输出电路形式决定了需要采用输出变压器，而使用中发现，变压器的存在利少弊多。所以，在UPS逆变器电路技术演变过程中，一开始就有一个问题：是否必须使用变压器，如何配置变压器和是否可以去掉变压器？
图1所示为上世纪70年代使用的第一代三相UPS的典型逆变器电路结构形式。该图所示的UPS组成包括一个由降压式自耦变压绕组供电的二极管全波整流器，一个与整流器并联的，由自耦变压器的辅助二次侧绕组供电的可控硅电池充电器。当市电电网停电时，静态开关立即将电池组连接到直流母线上进行供电。
UPS逆变器由四个三相逆变器以全波方式运行并按照基波频率进行换向，每一个三相逆变器都以三角形连接法与变压器的一次侧绕组相连接，再把开放式变压器(Open Phase Transformers)的二次侧绕组以一定方式进行连接，以获得合成的输出电压。这四个变压器被分成两组，每一组都包含一个星形和一个Z形（曲折星形）的二次侧绕组，这两个二次侧绕组之间存在30°的相位差。这种特殊的连接方式可以消除掉n=6K 1（K为奇数）次的电压谐波。这个等效于12脉冲整流器中的两个移相式绕组在变压器一次侧中可以抵消5、7次谐波。对于在变压器一次侧绕组中每一相可能出现的3次和3n次电流谐波，则由一次侧绕组用三角形接线方式来抵消。因此，输出端首先需要滤除的谐波是第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位(0<φ<180°)完成的。由于首先滤除的是第11次谐波，所以输出滤波器的尺寸较小，这也使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。
众所周知，以可控硅（晶闸管）为基本功率器件的电路存在着换向安全和功率损耗的问题。为了减少电路的能量损失和改善控制功能，接着一代的UPS系统开始使用一种新的脉冲电路，每个晶闸管都有其相应的灭弧电路。其整个设备仅需要两个变压器，如图2所示。对于消除n=6K±1（K为奇数）次的谐波，只需要一组相位差为30°的逆变器，同时，这30°的相位移是预先设置的，并且在每台变压器的一次侧以“脉冲宽度调节”(PWM)来实施对电压的调整。
为了达到预期的输出电压，可以将上述的换向应用于每周期6次固定换向的基本脉宽调制电路(PWM)。这一代UPS设备中变压器的数量从4个减少到了2个，但人们期待能进一步减少变压器数量，这就必须提高逆变电路的性能，研究发现，优化PWM就能达到目的，而无需再使用两组变压器耦合的方式。使用两组移相30°的变压器是为了减小如5、7次低次谐波，因为其幅值较大，要滤除它们比较困难。只用一个变压器的UPS电路（如图3所示）中，变压器的二次侧绕组为曲折星形连接，每个逆变器以其基波的7倍频率来斩波直流电压。这种斩波方式称为固定频率斩波。在设计UPS设备时，应尽可能减小输出电压的失真度和减小滤波器的尺寸为目标。而输出电压的调整是通过移动两组逆变器之间的相位进行的。
从上世纪80年代开始，UPS逆变器进入了只含有一个变压器的时期。而且，随着功率半导体器件的创新进步，双极型功率晶体管以及电子控制级的IGBT等功率半导体器件的发明，逆变器中的可控硅器件被其取代（如图4、图5所示），但UPS设备中存在输出变压器的情况仍然在继续，并且一直持续到21世纪之初，这一期间，虽然于1995年出现了无输出变压器的逆变器结构，但此种产品仅适用于功率小于等于30KVA的UPS设备。其主要原因是功率半导体器件在换向时的损耗较大，而较高的耐压需要又使得人们很难在不用变压器的状况中成功地设计制造出大容量的逆变器。
图4所示逆变器采用IGBT器件，变压器二次侧绕组使用星形连接。变压器的每个一次侧绕组都连接到两个逆变器支路的中点，组成实际上是三个单相全控制的逆变器桥。因此，在二次侧绕组上得到的电压是独立进行调节的，这样，可以有效确保输出电压的良好平衡，而不管三相负载电流是否处于平衡状态，使用桥式组件的连接方式可以使每个支路的变换频率相对于标称变换频率减小1/2，这样，每个支路都只在正弦波的1/2个周期内工作。
图5只有一个三相全桥逆变器，这个变压器的耦合方式采用一次侧三角形/二次侧曲折星形连接。该连接方式可以实现两个额外的功能：首先是可以实时（即刻、瞬间）地调节每一相的输出电压，而且，各相输出电压都与逆变器的逆变支路相对应。其二，变压器二次侧的Z形连接所吸收的负载3n次谐波电流传送到变压器的一次侧绕组，使这些谐波电流只在一次侧绕组内流动，这样，可以降低IGBT的换向电流，从而减少换向损耗。
从以上所述，我们可以大致了解UPS逆变器中变压器是如何逐步发展演变的过程。
3 UPS输出隔离变压器的功能
熟悉传统UPS输出隔离变压器的功能并完全发挥其在电路中的作用，其目的之一正是为了在新产品的研制中设法取消它或替代它。在过去的实践中，人们对逆变器中输出隔离变压器的功能是存在一些误解的：如认为其“具有隔离作用”、能够“抗干扰”、能够“缓冲负载的突变”以及可以“提高UPS设备的可靠性”等等，甚至认为无变压器的UPS将不能可靠地工作…。持有这些认识的人们其实是对UPS逆变器的工作原理理解不深，其实变压器在逆变器中的功能就是升压和产生三相四线输出的零线。
3.1 输出变压器的功能之一是为单相负载提供所需要的零线。
传统的双变换UPS输出变压器的一个重要功能是在UPS输出端产生为单相负载供电时所需要的中性线（通常称其为零线）。
带输出变压器的UPS的DC-AC逆变器通常是由全桥电路组成，如图6和图7所示，其输出端必须加变压器，否则就不能完成单相或三相四线交流电压的功能，所以，此变压器应视为产生输出零线的变压器。
图6所示为单相UPS输出DC-AC逆变器主电路图，这是一个全桥逆变电路，每个桥臂上有两个串联的IGBT（即VT1-VT4），输出交变电压UBA由两个桥臂的中点A和B引出。当VT1和VT4同时导通（VT2和VT3截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E的正端—VT1—负载A端—负载B端—VT4—电压E的负端；而VT2和VT3同时导通（VT1与VT4截止）时，由直流电压E形成的电流回路是电压E的正端—VT2—负载B端—负载A端—VT3—电压E的负端。如果VT1和VT4与VT2和VT3交替导通的周期是50Hz，则加在负载上的电压UAB是幅值为直流电压E的50Hz方波或者准方波，如果VT1和VT4以及VT2和VT3都以高频正弦波脉宽调制(SPWM)规律导通和截止，则负载端电压UAB是幅值可调整的正弦波。
需要注意的是，通常单相负载的输入电压要求有一根零线，而且这根零线在系统中（供电系统输入变压器的输出端）是要接地的，显然，如果把图6单相电路中的A或者B任意一点做输出零线接地，都会使输入电压通过导通的半导体功率器件对零线短路而立即烧毁逆变器。
图7为三相UPS输出的全桥DC-AC逆变器电路框图。为了满足负载必须有零线的要求，于是就设计了一个输出隔离变压器，该变压器的初级绕组做成三角形连接，由三相全桥的三个桥臂中点做三相线电压输入，变压器次级绕组是星形连接，产生新的零线按三相四线制向负载供电。在此，不仅需要输出隔离变压器产生零线，为了UPS转入旁路时也能正常供电，输出变压器产生的零线还必须与系统输入的零线连接在一起。