三相四线PWM整流器的数学模型与控制方法

传统的在线式不间断电源（UPS）的结构如图5-41所示，后级逆变器输出接隔离变压器，隔离变压器既起电气隔离作用，又保证三相负载不平衡时UPS输出电压平衡对称。由于包含工频变压器，UPS的体积比较大、重量比较重，并且变压器成本在UPS物料成本中占有相当大比重。

图5-41 带隔离变压器的在线式UPS电路

图5-42 带隔离变压器的在线式UPS电路

如果采用图5-42所示非隔离结构UPS，由于逆变器直流侧电源无分裂中点，通常的三相三线逆变器输出只有两个自由度，无法产生零序分量，在输出负载不平衡时，无法实现三相输出电压对称平衡。解决方法之一是，在三相逆变器输出滤波器后面加中点形成变压器（Neutral Formed Transformer，NFT），NFT是将三相三线制电源转换为三相四线制电源的变压器，有两种结构形式：双绕组和单绕组结构。在需要输出隔离时，用双绕组变压器；不需要输出隔离时，用单绕组变压器（即自耦变压器），可以显著减轻重量。当三相负载不对称时，不对称负载产生的零序电流将流入变压器绕组，形成零序电压，三相零序电压同相，从而使三相电压不对称。减小零序阻抗、限制不对称负载是减小三相电压不对称度的措施。也就是说，使用NFT后可以带不对称负载，但是输出电压仍不是完全对称，NFT用在三相负载的不对称度较小的场合较好；另外，NFT是一个低频变压器，体积较大、重量较重。

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图5-43 不带隔离变压器的在线式UPS电路（三相四桥臂逆变器）

图5-44 不带隔离变压器的在线式UPS电路（三相四线整流器输入）

图5-45 四桥臂变换器立体空间矢量图

图5-43和图5-44是两种常见的不带隔离变压器的在线式UPS电路，其中，图5-43的整流器部分为三相三线结构，用以实现输入侧电流功率因数校正和控制直流母线电压；逆变器部分为三相四桥臂结构。四桥臂三相逆变器把输出中点连到第四个桥臂的中间，可以让中线上流过电流，从而具备了带非对称负载的能力，其根本原因在于通过控制第四个桥臂，调节ON两点电位为0，从而保证逆变器输出三相电压平衡对称，一般可以采用立体空间矢量调制策略，如图5-45所示。与三相四线半桥式逆变器相比，四桥臂逆变器具有较高的直流电压利用率。