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5 "高频机"将成为现代数据中心UPS设备的首选机型

50年来,随着功率半导体器件和电力电子技术的进步,UPS设备经历了由带多个输出工频变压器到单个输出工频变压器的演变过程,而性能更好的大功率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创造了物质条件,使其在高频化、小型化、节能化和绿色环保化方面取得了长足的进展,这就是人们所说的“高频机”。这种机型集中体现了UPS电路技术的进步,代表着UPS技术的发展方向。与传统的带输出变压器的UPS相比,它在进一步缩小体积、减轻重量、改善性能、提高效率、降低成本等方面,都取得了明显的改善和进步,成为现代数据中心UPS设备的首选机型。

5.1去掉输出变压器是UPS电路技术的进步

传统双转换式UPS电路的特点之一是通过工频隔离变压器输出。应该说,采用输出变压器是UPS逆变器输出电路形式所决定的,而变压器的存在却是弊大于利。逆变器电路技术演变过程的一个显着的表现形式是:是否必须用变压器,如何配置变压器,是否可以去掉变压器。

UPS电路技术的进步取决于功率半导体器件的进步,从晶闸管到双极型功率晶体管以及集成控制器的IGBT等功率半导体器件的出现,伴随着UPS输出电路由四个变压器到一个变压器的演变过程,如图5.1所示。自19世纪80年代起,UPS逆变器开始只含有一个变压器。

(1)UPS输出隔离变压器的功能

了解传统UPS输出隔离变压器的功能是非常重要的,因为只有当电路措施能够完全实现它的功能时,才有可能在新一代设备中替代并取消它。应该说这个变压器是工频机全桥逆变器不可分离的组成部分,它的作用也很简单:升压和产生三相四线输出的零线。

①输出变压器的功能之一是为单相负载提供所需的零线

传统双转换式UPS输出变压器的一个重要功能是在UPS输出端产生给单相负载供电时所需要的中性线(或零线)。

带输出变压器UPS的DC/AC逆变器通常是由全桥电路组成,如图5.2和图5.3所示。输出端必须加变压器,否则就完不成输出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。

以单相UPS输出DC/AC逆变器为例，它是一个全桥逆变电路，每个桥臂有两个串联IGBT(VT1-VT4),输出交变电压UAB由两个桥臂的中点A和B引出。

当VT1和VT4同时通导(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、VT4截止)时,由直流电压E形成的电流回路是电压E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。

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