在电池模式下,高频机型UPS表面上看多了一个DC/DC环节,存在额外的效率损失,但是这个DC/DC环节只需要一个Boost电路或者三电平Boost电路,而Boost电路是非常容易进行优化设计的电路结构,而且对于电池这种比较稳定的 直流电源来说也有比较成熟的软开关方案来减小开关损耗,因此这一级DC/DC效率做到98%以上是很正常的,因此相对于选择了效率不到98%的隔离变压器工频 机型UPS产品来说,由DC/DC带来的损耗还没有工频机型UPS的隔离变压器带 来的损耗多。在电池模式下高频机型UPS还是有更高的效率。
在市电模式下,最简单的工频机型UPS输人级就是一个整流桥,只有二极管 或SCR上的通态损耗,而其他损耗几乎可以忽略,效率还是很高的。通过仿真可 以发现.当选取不同容量的直流母线电容时对于输人电流的波形影响非常大。选择 比较小的电容,则直流BUS电压的纹波变大,输入电流的峰值和有效值相对小一些;如果选择的BUS电容比较大,则BUS电压的纹波变小,而输入电流的峰值和
有效值都变大。BUS电容容量的选择是受到保持时间和电解电容寿命两方面因素制约的。对于基本的整流桥设计,输人电流波形如图1-32所示。此时的仿真结果输人电流峰值高达230A,有效值达到88A。这也说明了工频机UPS为什么需要强 调SCR的过载能力,因为这是工频机本身输人结构造成的。
基于这一结果,在整流桥的选择上要留出足够的裕量,例如选择英飞凌的整流 桥器件TD B6HK 124 N 16 RR。经过估算,此时整流桥的通态损耗在240W左右, 相对于40kVA的功率等级来说,似乎此时整流桥效率很高,超过99%,但是另外 一个方面是输入功率因数只有0.6,电流达到了130%,对于越来越严的电 力法规来说这是完全不可接受的。通常在书本上都会写6脉冲整流功率因数在0.95,这里的结果完全不同,实际上是因为6脉冲整流功率因数0.95是基于负载为线性的假设,而这里有非线性存在,使得整个UPS成为一个非线性整流负载。 这个电容越大,就会使得输人的特性越差。同样的,对于12脉冲整流,一般的文 献都会写功率因数可以达到0.99,但是如果考虑到直流母线上的电容,结果就会 完全不同。基于下面一个基本的12脉冲整流电路进行仿真,仿真出来的电流波形 如图1-33所示。此时输人电流的峰值达为188A,有效值68A,功率因数在0.8,而输人电流的谐波失真:THD也在80%。同样的,由于直流母线上电容的存在,这里也无法 做到一般12脉波整流的优良性能。虽然相对于6脉冲整流来说已经有很大进步,但还是无法达到法规要求。而且12脉冲整流导致整流桥数量加倍,同时增加一个隔离变压器,对成本和效率的影响非常大,因为这个变压器同样会带来1%〜3%的效率下降。为了改善输入电流波形和功率因数,在工频机型UPS里面必须加入电抗器。对于6脉冲整流,仿真计算表明,在前面加人一个300〜450/_^的交流电抗器可以有明 显改善。这个电抗器T.作在工频段,铁心材料一般使用硅钢片。此时仿真得到的电流波形如图1 _ 34所示。功率因数可以改善到0.8989,谐波失真THD可以改善到43%。由于电流有效值减小,整流桥的通态损耗也会降低,在这样的波形下可以降低
到180W左右,而交流电抗器的损耗在200W左右,再考虑到整流部分的其他因 素,如线路电阻、漏感等引起的损耗,输人级效率会低于99%。不管是采用前面的6脉冲整流加人电抗器还是12脉冲整流,相对于越来越严 格的电力法规,所得到的结果还是无法达到要求,必须再增加滤波环节。如果要达到能够和高频机型UPS竞争的规格指标,只有在前面添加APF或者采用特定次谐波消除的方式。如果单独使用APF来处理,相对于这里产生的谐波来说,此APF的功率也要达到lOkVA的级别,在APF上产生的损耗也是相当可观的。如果把APF的损耗与工频机型UPS的输人级损耗合并计算,那么6脉冲整流下工频机型UPS的输入级效率会降到97%〜98%左右,而12脉冲由于存在额外的变压器损耗的原因,效率就更低。使用特定次谐波进行选择性谐波消除,或者更复杂的方式, 用特定次谐波滤波器结合APF的有源/无源混合谐波治理方案,确实可以做到需要的谐波规格,但是单独使用特定次谐波消除带来的负面影响是这些滤波器会带来工 频段的相移,而且电感上也会带来额外损耗。有源/无源混合方案太过复杂,而且 效率同样不高,综合来看还不如直接使用PFC结构更为理想。反过来再看高频机型UPS,在输入级上常用的拓扑有上面示例中使用的PWM整 流方式以及双Boost/Vienna结构。PWM整流桥的好处是具有能量双向流动的能力, 可以扩展出更多的功能,在损耗上和逆变的损耗比较接近。通过良好的优化设计,其效率也一样可以达到97%。双Boost/Vienna结构虽然没有能量双向流动的能力,但是 由于具有三电平的效果,效率上比PWM整流桥更高,甚至可以做到接近98%。而且这 几种拓扑都可以做到功率因数校正,谐波和功率因数都有非常好的表现。另一个影响效率的因素就是前面提到的直流母线电容。在高频机型UPS的设 计中,理想情况下直流母线电压是直流,由开关引起的高频分量可以通过合理布局,使用高频特性好的薄膜电容进行吸收,从而电解电容上面的损耗比较小。但是 在工频机型UPS里面,如果输人是6脉冲整流,那么直流母线电容上就存在比较 大的6次脉动波,而使用12脉冲整流,就会存在12次脉冲,这些波动在直流母线 电容上就会对应的产生损耗。下面以6脉冲整流为例来看。这里使用的是前面带有交流电抗器的方案,更接近真实的情况。当选择很小的直流母线电容时,比如470yF,那么直流母线电压波 形如图1-35所示。
此时电压纹波的峰峰值是154V。比较不同母线电容大小情况下的电压峰峰值i以及在电容上带来的损耗。
选择比较大的电解电容,对于工频机型UPS来说可以得到比较小的电流纹波 损耗。虽然这个损耗相对于整机来说不大,但是高频机型UPS本身在线性负载下 没有这个纹波,因此也就没有这部分损耗。把整流和逆变两级的损耗综合起来,可以看到,高频机型UPS两级变换一般会带来5%〜6%的效率损失,而工频机型UPS根据选择方案不同,一般会带来5. 5%〜10%的效率损失。对比来看,工频机型UPS要在谐波治理方面花很大的代价,把此部分的损耗也算进来,那么整机就会增加到7%〜9%的效率损失。如果是12脉冲整流,根据选择方案的不同,还会再带来1%〜4%的效率损失。实际上在市场上典型的新一代髙频机型UPS产品,其效率 规格普遍可以达到94%,甚至有的可以达到95%〜96%;但是反观工频机型UPS产品,虽然最好的产品可以么到93%〜94%,但是很多产品甚至低至90%以下。