一、引言

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源系統(tǒng)，是一種含有儲能裝置（通常為蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒電壓、恒頻率輸出的不間斷電源系統(tǒng)。主要應用于要求設備24小時供電的場合，如通訊設備、計算機網絡系統(tǒng)或其它電力電子設備等。當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內儲能裝置的電能，通過逆變轉換的方式向負載繼續(xù)供應交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

二、UPS系統(tǒng)介紹及過程分析

圖1是個非常典型的UPS在地鐵中的應用，從上圖中可以明顯看到，該系統(tǒng)包含配電柜、UPS電源和外置維護開關，終端負載為各機電系統(tǒng)，如信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、自動列車監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。配電柜的作用是對用電設備進行配電和控制，在電路出現(xiàn)過載、短路和漏電時，配電柜還可以進行斷電保護；外置維護開關主要是在維護檢測過程中閉合，旁路掉UPS的電路，使電能從外置維護開關的電路上通過，實現(xiàn)了在保證后端負載能夠得到正常供電的情況下不影響對設備的維護；在市電異常，配電柜斷電的情況下，UPS電源通過儲能裝置給后端的設備供電。  UPS的內部結構如圖2，主要由五部分組成：電源輸入電路，進行AC/DC變換的整流器，進行DC/AC變換的逆變器，輸出切換電路以及蓄能電池。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流能量的功能外，對整流器來說就像接了一只大容量電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護，設計了系統(tǒng)工作開關，主機自檢故障后的自動旁路開關，檢修旁路開關等開關控制。

下面結合UPS的內部結構，分析市電供電和斷電兩種狀態(tài)下UPS的工作過程：

1、市電正常時，交流電通過主電輸入端口，交流電輸入經整流濾波變換成直流后，再通過SPWM逆變器逆變，然后交流電供給輸出，最后通過逆變靜態(tài)開關切換到用戶負載，形成整個供電的通路。在UPS系統(tǒng)中，之所以在市電供電的情況下還需經過整流、逆變等電路，而不是直接由市電給后端的用戶負載供電，其目的是提高供電、用電的質量。同時，通過整流后的直流也給予電池組充電，詳細過程見圖3，工作路線見圖中的標示。

2、當市電異常（斷電）時，主電輸入端口已經沒有電能輸入，而是由電池輸入，通過SPWM逆變器逆變出交流電供給輸出，通過逆變靜態(tài)開關切換到輸出給用戶負載，完成整個供電的通路。詳細過程見圖4，工作路線見圖中的標示。

初的UPS輸出逆變器都是帶有輸出變壓器的。應該說，采用輸出變壓器是UPS逆變器輸出電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。逆變器電路技術演變過程的一個顯著的表現(xiàn)形式是：是否必須用變壓器，如何配置變壓器，是否可能去掉變壓器。

圖1是20世紀70年代生產的第一代三相UPS的典型電路結構形式.

圖1所示的UPS包括一個由降壓式自耦變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個與整流器相并聯(lián)的、由自耦變壓器的輔助二次側繞組供電的可控硅電池充電器。當電網停電時靜態(tài)開關可將電池組連接到直流母線上供電。

逆變器由4個三相逆變器以全波方式運行（按照基波頻率進行換向），每一個三相逆變器都與變壓器的一次側繞組相連接（三角形連接），再把這些二次側繞組開放式變壓器（Open Phase Transformers）的二次側以一定方式進行連接，以獲得合成的輸出電壓。這4個變壓器被分為兩組，每一組都包含一個星形和一個Z形（曲折星形）的二次側繞組，這兩個二次側繞組之間具有30°相位差。這一特殊的連接可消除n=6k±1（k為奇數(shù)）次的電壓諧波，這等效于12脈沖整流器中的兩個移相式繞組在變壓器一次側中可抵消5、7次諧波。對于在變壓器一次側繞組中每相可能出現(xiàn)的3次和3n次電流諧波，由一次側繞組的三角形接線方式來抵消。因此，輸出端首先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調整是通過移動兩組變壓器之間的相位（0<φ<180°）來完成的。由于首先需要濾除的是第11次諧波，所以輸出濾波器的尺寸較小，這使得逆變器對負載變化的動態(tài)響應特性加快。

以可控硅（晶閘管）為基本功率器件的電路存在著換相安全和功率損耗的問題，為減少電路的能量損失和改善控制功能，下一代系統(tǒng)開始使用一種新的脈沖電路，每個晶閘管都有其相應的滅弧電路。整個設備僅需兩個變壓器，如圖2所示。為消除n=6k±1（k為奇數(shù)）次的諧波，只需要一組相位相差30°的逆變器，而這30°的相移是預先設置好的，并在每臺變壓器一次側以“脈沖寬度調節(jié)”的方式（PWM）來實現(xiàn)對電壓的調整。為達到預期的輸出電壓，可以將上述換向電路應用于每周期6次固定換向的基本脈寬調制電路（PWM）。

變壓器的數(shù)量從4個減少到2個，但為了能進一步減少變壓器的數(shù)量，就不得不提高逆變電路的性能，以便通過優(yōu)化PWM就能達到目的，而無需再使用兩組變壓器的耦合方式。以前使用兩組移相30°的變壓器是為了減小低次諧波（5、7次），因為他們的幅值較大，要濾除他們比較困難。只用一個變壓器的UPS如圖3所示。電路中，變壓器的二次側繞組為曲折星形連接，每個逆變器以基波的7倍頻率來斬波直流電壓。這種斬波方式稱為固定頻率斬波，在設計時以盡可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標。輸出電壓的調整是通過移動兩組逆變器橋之間的相位進行的。

自20世紀80年代起，UPS逆變器開始只含有一個變壓器。同時，隨著功率半導體器件的革新，雙極型功率晶體管以及電子控制級的IGBT等功率半導體器件的出現(xiàn)，逆變電路中的可控硅器件被取代（見圖4和圖5），但UPS帶輸出變壓器的這種情況仍在繼續(xù)且一直持續(xù)到二十一世紀伊始，其間雖然在1995年出現(xiàn)了無變壓器的逆變器結構，然而此類產品僅適用于功率小于等于30kVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導體器件換向時的損耗較大，而較高的耐壓要求又使得人們很難在不用變壓器的條件下成功地制作出大容量的逆變器。

APC的解決方案配備了自動檢測斷路器大小、PDU電路位置和分支電流監(jiān)控功能，為用戶帶來更多實用的好處。這些功能與英飛解決方案的容量和變化管理模塊兼容，更好地實現(xiàn)自動分支電流設置、調整和平衡功能。

圖4的逆變器采用IGBT器件，變壓器二次側繞組采用星形連接。每個一次側繞組都連接到兩個逆變器支路的中點，組成實際上是三個單相全控制的逆變器橋。因此，在二次側繞組上得到的電壓是獨立進行調節(jié)的，這可有效地確保輸出電壓的良好平衡，而不管三相負載電流是否處于平衡狀態(tài)。使用橋式組件的連接方式可使每個支路的變換頻率相對于標稱變換頻率減小1/2，這樣每個支路都只在正弦波的1/2個周期內工作。

圖5只有一個逆變器（三相全橋），此變壓器的耦合方式采用一次側三角形/二次側曲折星形連接。這種連接方式可實現(xiàn)兩個額外的功能。首先，它可以實時（即刻、瞬間）地調節(jié)每相的輸出電壓，而各相輸出電壓都與逆變器的逆變支路相對應。此外，變壓器二次側的Z形連接所吸收的負載3n次諧波電流傳送到變壓器的一次側繞組，使這些諧波電流只在一次側繞組內流動，這樣，可降低IGBT的換向電流，從而減少了換向損耗。

以上所述就是逆變器中的變壓器是如何逐步發(fā)展演變的過程。

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