1.Delta逆变器
Delta逆变器是一个四象限变换器,即具有整流器和逆变器功能的变换器,工作于正向模式(逆变)时,电流流出逆变器,逆变器输出正弦波电压;工作于反向模式(整流)时,电流流入逆变器,逆变器仍然输出正弦波电压。Delta逆变器是一个可变的电流源,输出电流稳定到基准值。电流基准值是根据负载和蓄电池充电情况确定的,其输出连接到Delta变压器的副边。Delta逆变器在系统中的作用是:
(1)对UPS的输入电流进行控制,进行功率因数校正,减少输入电流的谐波失真。
(2)市电存在时,与主逆变器一起完成对市电输入电压的补偿:
当市电输入电压低于系统额定电压时,Delta逆变器工作于逆变方式,输出功率。在Delta变压器原边产生与输入市电电压极性相同的电压,进行正极性补偿。
当市电电压高于系统额定输出电压时,在Delta变压器原边产生与输入市电电压极性相反的电压,进行反极性电压补偿。从而使市电输入电压补偿后与额定输出电压相等。
(3)与主逆变器一起完成对蓄电池的充电和浮充电。
2.主逆变器
主逆变器也是四象限变换器,也具有双向变换功能。主逆变器作为固定的电压源,连接在系统输出端,使输出电压保持在电压基准值上。主逆变器在系统中的作用是:
(1)控制系统输出电压,对负载谐波电流进行补偿,减少输出电压谐波失真。
(2)与Delta逆变器一起完成对输入电压和额定输出电压差值的补偿。
(3)与主逆变器一起完成对蓄电池的充电和浮充电。
(4)当市电中断时,全部负载功率由主逆变器供给。
1.正常方式下的Delta变换
在正常情况下,主逆变器调节系统输出电压,将输出电压与电压基准值比较,根据误差进行PWM调节,稳定系统输出电压。主逆变器的输出频率和相位与市电输入频率相同。Delta逆变器根据负载和蓄电池充电状况确定电流基准,并将输出电流与电流基准比较,稳定输出电流,通过Delta逆变器控制市电电压的输入电流的幅值、相位和波形,还补偿市电电压和输出电压之间的差值。Delta逆变器也是与市电输入电源同频同相的受控的电流源。
当市电输入电压与系统输出电压(功率平衡点的电压)相等时,市电经Delta变压器直接为负载供电,负载功率不经过任何变换,因此无功率变换的损耗(实际上总会有一些系统损耗,故市电的输入功率总比负载功率大一些,但系统损耗很小)。
当市电输入电电压低于系统输出电压(即功率平衡点的电压)时,主逆变器从输出端吸收功率,经主逆变器(整流),Delta逆变器(逆变),向Delta变压器输出功率,使Delta变压器原边产生正极性补偿电压,以使供电回路的电压保持平衡。同时在Delta逆变器的控制下,增加从市电输入的电流和功率,以使功率平衡点的电流(功率)保持平衡。
当市电输入电压高于系统输出电压(即功率平衡点的电压)时,从Delta变压器吸收功率,被吸收的功率反向流过上述环路,即吸收的功率经Delta逆变器(整流),主逆变器(逆变)后,流向负载。以使功率平衡点的功率保持平衡。此时Delta逆变器工作于整流方式,使Delta变压器原边产生与市电电压反相的电压,进行负极性补偿,以使供电回路的电压保持平衡。
无论市电电压与系统输出电压相等或不相等时,UPS系统都可以给蓄电池充电。Delta逆变器通过检测DC母线电压,并将其与输入电流基准进行比较,Delta逆变器的电流基准一般整定到可以使DC母线电压保持在蓄电池浮充电压的数值上,如果DC母线电压下降,Delta逆变器的输出电流将增大,以使市电输入电流增大。因为流入功率平衡点的功率大于负载需要的功率,多余的功率就通过主逆变器流入DC母线,给蓄电池充电,DC电压恢复后,市电输入电流将恢复为负载供电正常情况。
综上所述,当市电电源电压在允许的电压窗内变动时,Delta变换UPS进行了整流、逆变两次变换,但这与双变换UPS系统中的整流、逆变两次变换不同,双变换UPS系统将100%的负载功率全部进行两次变换,而Delta变换UPS系统只变换很小的一部分功率,即市电电压和系统输出电压之间差值相关的功率,故采用了表示差值(变量的增量)的希腊字母△d(Delta),称为Delta变换。
实际上,Delta变换UPS系统在市电输入电压降低和升高时进行了两个方向的双变换:市电电压降低时,从主逆变器(整流)到Delta逆变器(逆变)。市电电压升高时,从Delta逆变器(整流)到主逆变器(逆变)。Delta变换UPS系统变换的功率大小与市电变动的情况有关,一般为在±25%额定功率以内。所以,在正常方式下主逆变器和Delta逆变器的负荷只有UPS系统额定功率的25%以下。但主逆变器的容量仍应按100%额定负荷设计,因为在市电故障时它要承担全部负载功率,所以在正常时的主逆变器的容量富裕量很大,过载能力很强。Delta逆变器不承担全部负荷,其容量设计为额定容量的25%左右,因此Delta变换UPS的成本较低。
2.储能方式
市电电源故障时,主逆变器由蓄电池供电,继续运行,承担全部负载功率。此时市电输入的接触器1断开,以防止主逆变器向市电电源反馈能量。由正常方式转换到储能方式的转换时间为零,输出电压无中断。因为主逆变器始终连接在系统输出端。
3.旁路方式
当UPS设备故障时,静态旁路开关接通,主静态开关断开,市电经静态旁路开关直接为负载供电。此时接触器2断开,使UPS设备与负载断开。
(1)主逆变器始终连接在系统输出端,调节输出电压,并通过Delta逆变器进行供电回路电压补偿,无论有无市电,都能向负载提供高质量的交流电源。输出稳压精度、输出电压瞬态特性、波形失真等指标都比较高。
(2)市电电源可用时,主逆变器和Delta逆变器与市电电源同步运行,UPS系统的输出电压的频率和相位始终与市电电压锁定。也就是说,当市电电源作为UPS的输入电源时,逆变器只能同步于市电电源,不能同步于内部振荡器或其他信号。
(3)Delta变换UPS在正常方式和储能方式均能输出正弦波电压波形。
(4)市电电源中断时,Delta变换UPS将转换到储能发生,负载由主逆变器继续供电,主逆变器与负载电路的连接没有进行切换,因此可以与双变换UPS一样,向负载提供不间断的供电。与双变换UPS不同的是,此时主逆变器所承担的负载发生阶跃变化,可能造成系统输出电压的瞬时轻微的波动。而双变换UPS在转入储能发生时负载没有发生变化。
(5)由于交流输入电流是受Delta逆变器控制的,可以是与输入电源同频同相的正弦波,所以Delta逆变器的输入功率因数可以做到接近1。因为Delta逆变器是电流源,对负载电流呈现较高的输出阻抗。负载电流中的无功电流(谐波)由主逆变器供给。
(6)当市电可用时,主逆变器和Delta逆变器只对输入电压与输出电压的差值相关的功率进行变换和调整,逆变器承担的最大功率(当输入电压处于上限和下限时),只有输出功率的20%左右(相当于输入电压最大波动范围),所以负荷率很小,功率裕量很大;过载能力很强,负载电流峰值因数大。而且,输出有功功率(kW)可以做到等于视在功率(kVA),目前双变换UPS还做不到这一点。