正弦波逆变器的设计

2014-12-23 21:44:02      点击:
正弦波逆变器的设计
一、三相逆变器的设计正弦波逆变器的输入来自整流器或电池,其输出经由静态转换开关(STS)接至负载。基本上大型UPS的负载涵盖范围较广,不像微型和小型UPS大多提供电脑性设备。大型UPS不间断电源的负载包括电脑、通讯设备、监视设备、重要照明及重要动力设备,所以逆变器在设计时必须考虑各式负载的适用性。尤其目前电子设备大多为单相负载,使用三相UPS不间断电源时逆变器的设计必须能承担100%不平衡负载,且其输出电压仍能保持在规格内。三相输出电压不平衡将导致旋转动力设备发生噪音及扭力波动,同时也造成三相整流设备的直流电压连波变大,影响其性能。因此采用每相输出电压独立调整机制的全桥型逆变器,可使逆变器的输出特性不受负载状况的影响。现今逆变器的控制方法,常常采用瞬时电压回授法。该方法主要由即时回授输出电压值,经内电压波形及外电压振幅两控制回路处理,以达到定电压输出的目的。此种方法在控制上两谐系统,如进一步以相位领先及落后补偿器设计,系统将可达到高频宽及快速响应的目的。


二、逆变器的并联运转与单一系统的不间断电源系统相比,采用机并联运转的UPS具有高系统可靠度、扩充容易(on site扩充容量)及价格优势(节省初装成本)等优点。然而要不间断电源系统可并联运转,在逆变器的设计上,除需具备与单机运转一样良好的电压调整功能外,尚须建立其独立调整输出功率的能力。由于实务系统中并联机组间,无可避免的存在大量参数的不匹配性,如滤波器元件误差、控制电路零件误差、锁相同步讯号误差及参考电压误差等,如未适当给予控制,可能造成相当大的循环电流在并联系统内部流窜,导致UPS不间断电源保护关机并联失败有时甚至造成功率元件过热烧毁。


并联控制方法可使不间断电源系统逆变器直接并联而不需使用任何连接电感器。该方法的并联架构利用逆变器控制策略的研拟,提供一种新型虚拟阻抗控制法来取代实体并联连结电抗的使用,此时逆变器所输出的实功率与虚功率可藉由参考电压的振幅与频率分别加以调整,因此各并联机组得以独立控制其功率输出值,达到准确分流的目的。另外,本法对于谐波电流分流的处理系利用虚拟阻抗自然分流的特性达成,并不需要额外增加谐波处理电路,故可大幅简化并联电路的复杂性。


对于大型UPS不间断电源来说由于所接的负载数量多且容量大,因此对于UPS不间断电源可靠度的要求是非常高的。我们常用MTBF来衡量系统的可靠度若MTBF数值越大,代表系统可靠度越高。其实MTTR也是一个重要的指标,因为任何电子设备都会有故障的机率,除了产品本身故障率要低外,更重要的是它要能很快速的被修复完成,也就是MTTR要越小越好。因此系统可用性这个指标更能代表UPS设计品质的好坏。系统可用性的定义为:


系統可用性 = MTBF / ( MTBF + MTTR ) = 1 / ( 1 + ( MTTR / MTBF ) )


由上式中可以看出当MTBF越大且MTTR越小时,可以得到系统最高的可用性。


因此我们设计规划UPS不间断电源时,须无时无刻的考虑到如何提高系统的可用性,下列所述的集中设计方式都可达到提高MTBF或降低MTTR的目的:


(1)UPS不间断电源具有并联冗余及热备份功能,以提高整个系统的可靠度


(2)UPS不间断电源内部采模组化设计易于更换维修。


(3)采用数位化控制架构,减少电子元件数目降低失效率。


(4)冗余的辅助电源设计、冗余静态开关控制电路设计及冗余的冷却风扇设计提高系统的可靠度。


(5)智慧型的冷却风扇多段转速控制,以延长风扇的寿命。


(6)内建SRAM可记录多笔事件纪录,并能自我分析诊断作为维修人员的参考依据。


(7)故障模块或控制电路板自动指示,减少MTTR时间。


(8)智慧型的电池管理系统以延长电池寿命。