Z—源电路在不间断本安电源上的应用

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摘 要 不间断本安电源（IUPS）作为煤矿上的大功率煤矿风机等各种矿用电机的应急备用电源，其工作的稳定性对煤矿的安全生产具有很大的影响。Z-源电路是一种新型且实用的电路拓扑，本设计将Z-源电路应用于传统不间断本安电源中，提出了一种新的Z-源不间断本安电源（Z-源IUPS）拓扑结构。

关键字 新型；Z-源；IUPS

中图分类号 TM3 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）106-0200-02

0 引言

新型Z-源电路是一种具有X型阻抗网络的电路结构。其主要功能就是通过X型阻抗网络将Z-源电路的输入输出进行耦合。传统逆变器中普遍存在着直通的问题， 本文通过将Z-源电路运用在矿用不间断本安电源中，提出了一种新型基于Z-源电路的不间断本安电源电路拓扑。和传统本安电源相比较，新型Z-源不间断本安电源具有输出交流电谐波分量小；转换效率高等优点。

1 新型Z-源逆变器拓扑

逆变器是不间断本安电源整个电路中很重要的一个环节，其性能的好坏将会影响整个不间断本安电源系统的可靠性。

传统的电流型逆变器和电压型逆变器在实际应用中，也有许多不足之处。如传统的电流型逆变器，其输出端只能连接容性负载，在一般情况下，输出的交流电压高于输入的直流侧电压，在其工作过程中，与桥臂的上部和下部两个开关管不允许在相同的时间关断，以免电抗器的开路，从而损坏电路。而传统电压型逆变器也存在着很多缺点，如其输出侧只能接感性负载，在一般情况下，其输出侧的交流电压低于直流侧输入电压，在其工作过程中，同一桥臂的两个开关管不同时导通，以防止短路发生。正是上面这些缺点，严重影响了直流逆变器的工作的稳定性。从而也就降低了传统矿用不间断本安电源工作时的稳定性。

图1所示为新型Z-源逆变器的结构图，整个X型阻抗网络由电容C1和电容C2以及电感L1和电感L2构成。正是由于Z-源电路这种特殊的拓扑结构图的加入，使得当Z-源逆变器的开关管工作在足够大的开关频率时，逆变桥的某一个桥臂在瞬间可以开路或者短路，这样Z-源逆变器就具有了升降压的能力。

图1 新型Z-源逆变器结构图

2 新型Z-源IUPS的电路设计

2.1 Z-源IUPS的电路拓扑

如图3所示为Z-源IUPS（Z源不间断本安电源）的前半部分，其由三相交流电源，整流器和工业电池三部分组成。系统在一般情况下由三相电源供电再经整流器输出直流电供给Z-源IUPS的后半部分。当煤矿发生紧急事故时，如外界断电导致三相电源无法供电时，就由电池代替Z-源IUPS的前级部分输出直流电。

图 4为Z-源IUPS的后半部分。图4所示整个Z-源IUPS的后半部分通过二极管VD7和Z-源网络将图3所示的Z-源IUPS的前半部分与后半部分的逆变器耦合起来。

图3 Z-源IUPS的前半部分

2.2 Z-源IUPS后半部分工作状态分析

传统的逆变桥在工作时共有1001，0101，1010，0110这四种开关状态。其中1001，0110为直流电压直接加到逆变器所接负载的两种状态。0101，1010为逆变桥的两种零电压状态。在Z-源逆变器中由于有Z源电路的存在，其逆变桥的工作状态在以前的四种状态基础上又增加了一种状态及为1100或者0011，称为直通零电压状态。假设整个开关周期为T，其中Z-源逆变器工作在直通零电压状态的时间是T0，所以Z-源逆变器工作在非直通零电压状态的时间T1=T-T0。

图4 Z-源IUPS的后半部分

当Z源逆变器处在非直通零电压状态T1时，由于Z源不间断本安电源系统的输入端电源Vi为Z源网络中的电容充电，与此同时Z源中的电感为逆变桥另一端的负载供电[5]。则由分析可知：Vd=Vi，VL=Vi-VC，V0=2VC-Vi。

电路原理中电感守恒定律分析表明，电感两端的平均电压在一个开关周期T 内为0。所以对上面等式进行等效变换可得到V0和Vi的关系公式，即V0=T1Vi/（T1-T0）。

由上面的分析可知，Z源逆变桥的输入端直流母线电压v0=2VC-Vi=TVi/（T1-T0）（其中B>1）。所以Z源逆变器的交流负载侧的基波幅值vac=Mv0=BMVi（其中M

3 电路的仿真和实验

运用MATLAB软件对Z源的不间断本安电源的设计方案进行了仿真。仿真过程中设置的电池的容量参数为360V，18Ah。图5为Z-源IUPS的输出情况，其中上幅图为电池输出电压，中幅图为X型网络中电容电压，下幅为输出交流电电压的波形。观察可以发现，在电压为50%时，Z-源IUPS输出交流电电压波形为正弦波。可以看出，Z-源IUPS有较强的输出电压调节能力。通过图5的中间波形图可以发现虽然此时电池输出直流电压下降一半，但Z源网络中电容电压稳定，且高出直流侧电池电压近100V。这一点表明了Z-源IUPS具有很强的升压功能。

图5 电池电压在50%时，Z-源IUPS输出

4总结与讨论

本文所提出的新型基于Z-源电路的不间断本安电源（Z-源IUPS）具有输出交流电谐波分量小；转换效率高等优点，并且在电路仿真中也验证了新型Z-源IUPS的这些优点。

参考文献

[1]魏幼平，等.煤矿通信设备不间断电源的电路拓扑.分析与性能比较，工矿自动化， 2008（3）.

[2]彭伟杰.Z源型光伏并网逆变器的研究.燕山大学， 2012（5）.

[3]唐长文.电感电容压控振荡器.复旦大学，2004，5.

[4]周立宏.UPS原理及在石化生产装置的应用.中国工控，2010（10）.

[5]张华强，等.风力发电用三相Z源逆变器并网仿真研究. 哈尔滨理工大学学报，2011（4）.