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高頻機型UPS的IGBT整流器可靠性分析
發布時間:2012.11.08  新聞來源:東莞市鴻馭電源有限公司     [ 返回 ] [ 打印 ]

概述

傳統雙變換器UPS不間斷電源,雖然已經應用了30多年,得到了人們的普遍認可,但傳統雙變換UPS電源的整流器-逆變器-變壓器結構,已經成為當前UPS發展趨勢的阻力。一方面其變壓器的存在,增大了設備的功耗;另一方面輸入功率因數只有0.6~0.8,諧波電流高達30%~60%,對電網及周邊設備造成很大的諧波危害。

通常,解決電力電子裝置和其他負載的無功功率和諧波污染問題的基本思想有兩種:一種是被動式,即裝設無功功率與諧波補償裝置來補償諧波,如有源無功補償與濾波器(APF)、靜止無功補償(SVC)等;另一種是主動式,即對電力電子裝置本身進行技術變革或改造,使其不產生諧波且功率因數可控制為1,這一條是諧波治理的根本。

解決UPS電源無功功率和諧波污染問題的辦法也是這兩種。

(1)被動式。即當采用6脈沖相控整流電路的低輸入功率因數和高達40%以上THDI等無功和諧波缺陷不能滿足系統要求時,采用被動的不就措施是:6脈沖相控整流器+無源濾波器;6脈沖相控整流器+有源濾波器;12脈沖相控整流器+有源濾波器。這些被動的方式,最終不能達到網測單位功率因數及THDI值小于3%的高標準要求,是治標不治本的辦法。
(2)主動式。三相或單相二極管整流+BOOST斬波型功率因數校正器;采用三相PWM型全IGBT整流器的雙變換型高頻機UPS;采用全IGBT整流/逆變串聯結構的在線UPS既delta變換型UPS。這幾種UPS是未來UPS技術的發展趨勢,是屬于綠色節能環保型UPS電源。

高頻機型UPS

綠色環保型UPS整流器的環保指標

由于傳統的UPS電源采用可控或不可控橋式整流電路做AC/DC變換,其整流器本身就是個大地諧波源,這顯然與當今的綠色環保、低碳能源的國際大環境相違背。
那么,怎樣的整流技術才符合綠色環保型UPS的要求呢?符合節能綠色環保性UPS不間斷電源設備必須具備如下的技術指標。
(1) 性能指標滿足客戶要求,產品性能安全可靠。
(2) 輸入功率因數在0.95以上或接近單位功率因數,
(3) 輸入電流THDI值<5%.
(4) 電源效率大于95%以上。
(5) 輸入電壓范圍至少在±15%以上。
(6) 低碳生產,耗銅量小。
(7) 高性價比。
為達到上面的環境指標增加的產品成本,應該少于3年內收回增加部分的成本。以上幾條,缺一不可,缺少一項,都不能稱為是綠色環保型UPS電源,比如關于12脈沖整流器,其輸入功率因數可達0.9以上,輸入電流THDI值也可以達到10%左右,但其效率極低,浪費電能,其體積龐大的輸入相移變壓器和多組閘管整流器帶來的成本增加,已經使這兩項指標的改善與綠色節能環保毫無相關,甚至是相違背。
顯然,UPS不間斷電源是否能夠達到綠色節能環保的要求,其整流器的技術方案起決定性的作用。我們已經知道,整流技術經歷了從最早期的不控整流到相控整流,及PWM全控整流的過程。

傳統UPS整流技術

1、單相全橋不控整流電路在中型UPS電源中的使用

常用的單進單出UPS,其整流電路采用的就是單相全橋不控整流。這種UPS的整流電路,由于采用不控整流,其優點是結構簡單,不需要控制電路,并且具有很高的可靠性,但它也存在很大的問題:

①由于采用的事降壓整流,所以對逆變后的交流輸出電壓需要經過一個變比為100/230的工頻變壓器進行升壓才能滿足220V交流輸出的要求,因此被稱為工頻機UPS,整機效率低,通常在90%以下;
②由于濾波電容的使用,使得輸入端電流為一個幅值很大的脈沖電流,其輸入電流的諧波分量很大,因而輸入功率因數很低,輸入電流的THDI高達100%。經過EMI輸入濾波器和輸入電感濾波后,輸入功率因數可以達到0.65左右但不會高于0.7,輸入電流THDI值仍然大于50%。綜合上述指標,從電源的環保等級來看,屬于可用型的黃標電源。

2、三相全橋6脈沖整流電路和12脈沖整流電路及其在UPS中的應用

(1)三相6脈沖整流電路。6脈沖指以6個晶閘管組成的全橋整流,由于有6個開關脈沖對6個晶閘管分別控制,所以叫6脈沖整流。
(2)三相全橋12脈沖整流電路。12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上,在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器,使直流母線電流由12個晶閘管整流完成,因此又稱為12脈沖整流。

3、相控整流電路產生諧波的特點

相控整流電路產生諧波可分為整流直流電壓諧波和電源側的電流諧波,對于脈沖相控整流電路,可以得到如下結論。

·對于直流側電壓。
(1)電路的總脈沖數越多,在直流端電壓波形中諧波抵消的越多,直流側電壓波形越好。
(2)在系統直流側電壓中出現的諧波頻率為電壓脈沖數的整數倍,諧波級次n=pm。例如6脈沖電路,電壓諧波頻率為6m的輸入頻率。
(3)諧波次數越低,諧波幅值越大。

·對于交流側電路
a)理想的P脈沖整流器,在交流側的波形電流次數為n=pm±1,式中m=1、2、3……。各個諧波電流分量的幅值為基波電流的1/n。例如,對于6脈沖整流裝置,線電流中只有5、7、11、13、17、19、……奇次諧波,其中5、7次諧波幅值分別為基波電流的1/5和1/7;對于12脈沖裝置,線電流中只有11、13、23、25……奇次波形,其幅值也顯著減小。
b)增加整流器的脈沖p對減小交、直流兩側的諧波分量有決定性影響。所以,構成脈沖數盡可能大地系統式整流裝置減少交、直流兩側諧波電流和諧波電壓的根本措施,因而也就有了12脈沖UPS。

4、相控12脈沖UPS整流器

基于三相6脈沖整流電路功率因數低,輸入THDI值過大的這些缺點,工頻機UPS的解決辦法是采用12脈沖整流器。這樣可將UPS的輸入功率因數提高到0.75以上,THDI值減小到10%左右。某市公安局系統250KVA工頻12脈沖UPS,開機帶有30負荷運行6個月,一切正常,后增加負荷帶載200A工作一個月后,導致UPS斷電,最終的原因就是輸入電感選擇過小,導致了UPS在66%負載的情況下輸入電感因過載而燒毀。所以這種6脈沖和12脈沖整流技術在選擇電感時,要充分考慮到功率因數的惡劣情況才能使設備可靠工作。