双变换UPS中的整流器/充电器、逆变器均为连续工作,其内部的半导体元件长期处于满负载状态,负载浪涌电流的冲击也会使半导体元件承受较大的应力,造成潜在的故障。因此,双变换UPS的静态开关和整流器/充电器、逆变器都是非常关键的部件,其半导体元件一般都降额使用或按照冗余方式设计,以提高系统的可靠性。
双变换UPS系统的不足
a.输入纹波电流大
双变换UPS的输入端一般采用6脉冲晶闸管相控整流器,有些大功率UPS采用12脉冲晶闸管相控整流器。这些整流器内部的晶闸管整流元件在每个电源周期内轮流导通,因为换相时连接在交流电源不同相线上的两个晶闸管在短暂的时间内同时导通,造成瞬时电源相间短路,因而在电源电压波形上形成了所谓换相凹口,实际上就是电压波形失真。
此外,当某个整流元件被触发导通时,市电电源相应的相电压就突然加到直流侧的滤波电感上,使该相电流突然上升,由于滤波电感足够大,电流基本上保持恒定,直到下一个整流元件被触发导通。结果形成了脉冲型的输入电流波形。因此该种电流波形不是平滑的正弦波,这种非正弦波是由基波和谐波分量组成的。输入端为6脉冲整流器的双变换UPS的输入电流中含有5、7、11和13次等谐波分量,总谐波失真(THD)可达30%以上。采用12脉冲整流器时,含有11,13次等谐波分量,总谐波失真为10%左右。
另外,谐波电流在配电系统中流动时,由于集肤效应导致电路阻抗增加,引起附加的损耗,使电缆、配电设备、熔丝、变压器和备用发电机发热,从而导致了系统的可靠性降低。
b.电源电压波形失真较大
在电源系统中,非线性负载可以等效为一线性负载和一系列的谐波电流源(多个不同频率的谐波电流源)的叠加。因此可以认为,连接到50Hz市电电源上的非线性负载从电源吸收基波电流并向电源反馈谐波电流,谐波电流沿着阻抗最小的通道流向电源。
谐波电流流过电源的内阻Zsn(对谐波电流的阻抗)时,将产生谐波电压。第n次谐波电流产生的谐波电压为:
Vn=In+Zn
电源输出电压Vn等于基波电压与谐波电压的向量和,谐波电压叠加在基波电压V1上,必然引起较大的电源电压失真。由于电源电压失真,还会产生更大的谐波电流。因为失真电源电压本身包含各种频次的谐波电压,加在线性负载上也会产生相同频次的谐波电流。电源电压失真会使电源系统的电容器、变压器等产生附加的发热,并能引起某些灵敏负载设备的工作异常。
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