浅谈UPS的IGBT整流技术

浅谈UPS的IGBT整流技术不间断电源的两大基本作用为：1.平时向负载提供高质量的电源，达到稳压、稳频、抑制浪涌、尖峰、电噪音，补偿电压下陷、长期低压等电源干扰。2.断电时不中断供电，利用电池的储能将直流逆变为交流，向负载提供高质量的电源继续支持负载。UPS按容量可分为小功率(5KVA及以下容量)，中功率(5K-30KVA)，大功率(30KVA以上容量)。根据UPS的电路拓扑和工作原理，UPS有多种形式，可大致分为三类：后备式、在线互动式、双变换式。后备式(Off-line)、运行原理：市电正常时，它向负载提供的电源是对市电电压稍加稳压处理的“低质量”正弦波电源，逆变器不工作，蓄电池由独立的充电器充电。当市电超出规定范围时，负载由继电器转为电池逆变供电（图1）。在线交互式或三端口式(Line-interactive)、运行原理：UPS中有一个双向变换器（bidirectionalconverter），既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓在线是指输入市电正常时逆变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电（图2）。在线式(On-line)运行原理：不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换供给负载（图3）。由UPS的结构可以看到，无论什么结构形式，整流器都是UPS必不可少的组成部分。在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展，与之相适应的的就是产生了6脉冲整流技术，6脉冲整流器简单可靠，大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电。电池直接挂在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流可控硅的调节对电池充电，同时为GTR或IGBT结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器的升压及滤波，提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出，可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式（可通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定），由于可控硅整流只能斩掉一部分输入电，所以其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在底于全波整流输出电压的某个数值上（图4）。可控硅整流的最大缺点就是对电网的干扰问题，由于输入斩波产生的回溃污染。例如，UPS的输入端AC/DC整流电路中采用的是六脉冲整流技术时，输入的功率因数只有0.66～0.8，与负载量成反比，形成的总谐波分量达30%左右，特别是中大功率UPS，大量的谐波电流会注入电网，造成电压畸变，电能质量下降，给电力系统发、供、用设备带来严重危害。这样传统的UPS在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”。谐波电流不仅污染电网，而首先受到污染的是系统本身。再者，由于它的输入功率因数低，输入无功功率大，要求系统配电容量和系统中其他设备的功率容量都要增大50%；这将使得电网的电压波形受到干扰，电网配线的载荷能力下降，严重时可能导致该线路供电系统的震荡或者其他设备工作异常。高次谐波还消耗大量无功功率，增大线路的的损耗，引起电子保护装置的误动作，使电机会产生附加力矩和附加损耗，影响仪器、仪表的计量准确度，对计算机网络，通信系统产生电磁干扰现象等。UPS本身成了一个大的电磁发射源，在为所保护的负载提供纯净电源的同时，自身又会产生新的电磁干扰。如何有效消除这些电磁干扰已成为UPS技术发展的一个重要问题，用户对无污染的绿色UPS的呼声也越来越高。电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染。国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。1996.1.1起，欧洲联盟EU(15国)开始强制执行89/336/EEC有关EMC的指令(EEC欧洲电工委员会的英文缩写)。大意是所有的电子电器产品(含变频器以及UPS装置)必须符合EMC要求，并加贴CE标记才能在欧洲市场上销售。说明世界各国都重视电磁兼容＝这门技术，像电气安全一样的重要。IEC国际电工委员会对它的定义:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”，这里面说的电磁骚扰即是我们常说的电磁干扰。从电磁兼容的定义可见:设备系统不仅应具有抑制外部来的电磁干扰能力;而且其所产生的电磁干扰不得应不得影响同一电磁环境中其它电子设备的正常工作。UPS既是一个受电设备，电网向它提供有功、无功功率外，同时电网中的浪涌、尖波毛刺等谐波也传统输出来，另外还有辐射、感应偶合进来的电磁干扰信号;UPS又是一个干扰源，它除了向负载提供稳频、稳压净化电源外。由于UPS是电力电子变流装置，整流部份对电网产生的高次谐波反向注入电网，造成电网压畸变，影响同一个电网上的电气设备，它变成干扰源。另外，这些高次谐波还以电磁场方式，向内部和外部空间产生射频干扰，会影响计算机、电子仪器仪表，通信和无线电设备正常工作。为了使UPS成为一个绿色环境保型电源必须抑制高次谐波并限制其电磁干扰，对UPS进行了种种改良，为了对UPS电源输入侧高次谐波的抑制。增加一定的补偿功率因数环节或滤波器，增加(整流器的脉冲数改6脉冲整流为12脉冲整流等。但各种滤波器，不但增加了重量，购买UPS的费用，同时效果也不理想，无形中又增加了一个故障点。由于12脉冲整流是在6脉冲的基础上增加一套6脉冲整流电路，因此，其中的一套6脉冲整流必须通过变压器作30度的相移，而变压器工作时的损耗大大降低了整机的效率，另一方面也增加了体积和重量，特别是在大功率UPS系统中，使用12脉冲整流器和增加谐波滤波器后的体积及重量会增加2～3倍，既增加安装成本同样也限制了安装场地。随着UPS技术的不断发展，很多计算机、电力电子领域的新技术、新理念引入到UPS行业。与IT行业的其他产品类似，现在的UPS与从前的产品相比较，无论在主要性能上、外观尺寸上、对现场环境的适应性及可靠性方面，都有了显著的进步，有些指标甚至是质的飞跃，对于大中型UPS来说更是如此。一种使用全新IGBT整流技术的UPS目前已经出现，新型的全IGBT整流可轻易地将功率因数提高到接近1。从根本上解决了对电网回溃干扰的问题(图5)。使用IGBT整流技术的整流器利用高频切换脉宽调制电流，达到正弦波式输入电流的目的。增加整流器的脉冲数会减少高次谐波电流的次数以及数值。若采用6脉冲叠加的方式，12脉冲、18脉冲、24脉冲，随着脉冲数的增加，电源侧输入谐波电流也随着降低，但会导致整流结构复杂，成本增加，可靠性降低，一般大于12脉冲较少有实际采用。IGBT整流技术因此可将输入谐波电流降至极低。IGBT整流技术还不受负载量的影响，克服了滤波器效率随功率大小变化的问题，滤波器实现无输入电流真正正弦波输入。IGBT整流技术的UPS单一的输入功率因数〉0,99，对于电网表现为近似纯阻性负载。IGBT整流技术的优势是很明显的，由于目前对于大功率三相整流电路进行功率因数校正通常只能做到无源功率因数补偿，六脉冲整流不加滤波器仅为0.65左右，十二脉冲整流仅为0.8左右，滤波器体积大，重量高，而且价格昂贵（表1）。仅以发电机兼容性举例：80KVA的六脉冲UPS需要配置200KVA的柴油发电机组的功率容量;80KVA的十二脉冲UPS需要配置120KVA的柴油发电机组的功率容量;80KVA的IGBT高频整流UPS只需要配置80KVA的柴油发电机组的功率容量简而言之，使用IGBT整流技术UPS具有重量轻，拓扑结构简单，具有更高的稳定性。与采用其它电路拓扑结构和工作原理的UPS比较具有电流谐波值小，可以适应各种负载.，功效与于负载多寡,无关。组件少，体积小，需更置放空间小，无共振及过容量危险，总体可靠性高等优点。使用IGBT整流技术UPS保护是双向的，即保护负载，也保护电网。各种用电设备及电源装置产生的谐波电流都会污染电网，计算机负载也是非线性用电方式的设备，也会产生电网谐波污染和无功功率。使用IGBT整流技术的UPSUPS除了可以降低自身对电网的污染外，还可以消除所带负载对电网谐波污染和校正功率因数。采用IGBT整流技技术，能实现让用户在UPS后端感到UPS提供是纯净的正弦波，让电网在前端感到UPS及所带的负载组是低谐波的近似阻性负载这样一个理想的目标。目前，采用IGBT整流技术的UPS已有产品进入中国，同早期UPS逆变器的PWM技术逐渐替代方波技术时的情景很类似。采用IGBT整流技术的UPS也存在价格高，大功率元件生产困难，成品率低。该技术也有先在中小功率的UPS上实现，逐步向大功率过渡的特点。我们有理由相信，随着生产技术的发展，这种技术先进，环保节能的UPS会越来越普及，我们期待着这一天。