山特高频机型UPS的IGBT整流器可靠性分析

发布时间:2015-09-14 21:07:03  【字体 】【关闭

高频机型UPS的IGBT整流器可靠性分析

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概述

传统双变换器UPS不间断电源,虽然已经应用了30多年,得到了人们的普遍认可,但传统双变换UPS电源的整流器-逆变器-变压器结构,已经成为当前UPS发展趋势的阻力。一方面其变压器的存在,增大了设备的功耗;另一方面输入功率因数只有0.6~0.8,谐波电流高达30%~60%,对电网及周边设备造成很大的谐波危害。

通常,解决电力电子装置和其他负载的无功功率和谐波污染问题的基本思想有两种:一种是被动式,即装设无功功率与谐波补偿装置来补偿谐波,如有源无功补偿与滤波器(APF)、静止无功补偿(SVC)等;另一种是主动式,即对电力电子装置本身进行技术变革或改造,使其不产生谐波且功率因数可控制为1,这一条是谐波治理的根本。

解决UPS电源无功功率和谐波污染问题的办法也是这两种。

(1)被动式。即当采用6脉冲相控整流电路的低输入功率因数和高达40%以上THDI等无功和谐波缺陷不能满足系统要求时,采用被动的不就措施是:6脉冲相控整流器+无源滤波器;6脉冲相控整流器+有源滤波器;12脉冲相控整流器+有源滤波器。这些被动的方式,最终不能达到网测单位功率因数及THDI值小于3%的高标准要求,是治标不治本的办法。
(2)主动式。三相或单相二极管整流+BOOST斩波型功率因数校正器;采用三相PWM型全IGBT整流器的双变换型高频机UPS;采用全IGBT整流/逆变串联结构的在线UPS既delta变换型UPS。这几种UPS是未来UPS技术的发展趋势,是属于绿色节能环保型UPS电源。

高频机型UPS

绿色环保型UPS整流器的环保指标

由于传统的UPS电源采用可控或不可控桥式整流电路做AC/DC变换,其整流器本身就是个大地谐波源,这显然与当今的绿色环保、低碳能源的国际大环境相违背。
那么,怎样的整流技术才符合绿色环保型UPS的要求呢?符合节能绿色环保性UPS不间断电源设备必须具备如下的技术指标。
(1) 性能指标满足客户要求,产品性能安全可靠。
(2) 输入功率因数在0.95以上或接近单位功率因数,
(3) 输入电流THDI值<5%.
(4) 电源效率大于95%以上。
(5) 输入电压范围至少在±15%以上。
(6) 低碳生产,耗铜量小。
(7) 高性价比。
为达到上面的环境指标增加的产品成本,应该少于3年内收回增加部分的成本。以上几条,缺一不可,缺少一项,都不能称为是绿色环保型UPS电源,比如关于12脉冲整流器,其输入功率因数可达0.9以上,输入电流THDI值也可以达到10%左右,但其效率极低,浪费电能,其体积庞大的输入相移变压器和多组闸管整流器带来的成本增加,已经使这两项指标的改善与绿色节能环保毫无相关,甚至是相违背。
显然,UPS不间断电源是否能够达到绿色节能环保的要求,其整流器的技术方案起决定性的作用。我们已经知道,整流技术经历了从最早期的不控整流到相控整流,及PWM全控整流的过程。

传统UPS整流技术

1、单相全桥不控整流电路在中型UPS电源中的使用

常用的单进单出UPS,其整流电路采用的就是单相全桥不控整流。这种UPS的整流电路,由于采用不控整流,其优点是结构简单,不需要控制电路,并且具有很高的可靠性,但它也存在很大的问题:

①由于采用的事降压整流,所以对逆变后的交流输出电压需要经过一个变比为100/230的工频变压器进行升压才能满足220V交流输出的要求,因此被称为工频机UPS,整机效率低,通常在90%以下;
②由于滤波电容的使用,使得输入端电流为一个幅值很大的脉冲电流,其输入电流的谐波分量很大,因而输入功率因数很低,输入电流的THDI高达100%。经过EMI输入滤波器和输入电感滤波后,输入功率因数可以达到0.65左右但不会高于0.7,输入电流THDI值仍然大于50%。综合上述指标,从电源的环保等级来看,属于可用型的黄标电源。

2、三相全桥6脉冲整流电路和12脉冲整流电路及其在UPS中的应用

(1)三相6脉冲整流电路。6脉冲指以6个晶闸管组成的全桥整流,由于有6个开关脉冲对6个晶闸管分别控制,所以叫6脉冲整流。
(2)三相全桥12脉冲整流电路。12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上,在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器,使直流母线电流由12个晶闸管整流完成,因此又称为12脉冲整流。

3、相控整流电路产生谐波的特点

相控整流电路产生谐波可分为整流直流电压谐波和电源侧的电流谐波,对于脉冲相控整流电路,可以得到如下结论。

·对于直流侧电压。
(1)电路的总脉冲数越多,在直流端电压波形中谐波抵消的越多,直流侧电压波形越好。
(2)在系统直流侧电压中出现的谐波频率为电压脉冲数的整数倍,谐波级次n=pm。例如6脉冲电路,电压谐波频率为6m的输入频率。
(3)谐波次数越低,谐波幅值越大。

·对于交流侧电路
a)理想的P脉冲整流器,在交流侧的波形电流次数为n=pm±1,式中m=1、2、3……。各个谐波电流分量的幅值为基波电流的1/n。例如,对于6脉冲整流装置,线电流中只有5、7、11、13、17、19、……奇次谐波,其中5、7次谐波幅值分别为基波电流的1/5和1/7;对于12脉冲装置,线电流中只有11、13、23、25……奇次波形,其幅值也显著减小。
b)增加整流器的脉冲p对减小交、直流两侧的谐波分量有决定性影响。所以,构成脉冲数尽可能大地系统式整流装置减少交、直流两侧谐波电流和谐波电压的根本措施,因而也就有了12脉冲UPS。

4、相控12脉冲UPS整流器

基于三相6脉冲整流电路功率因数低,输入THDI值过大的这些缺点,工频机UPS的解决办法是采用12脉冲整流器。这样可将UPS的输入功率因数提高到0.75以上,THDI值减小到10%左右。某市公安局系统250KVA工频12脉冲UPS,开机带有30负荷运行6个月,一切正常,后增加负荷带载200A工作一个月后,导致UPS断电,最终的原因就是输入电感选择过小,导致了UPS在66%负载的情况下输入电感因过载而烧毁。所以这种6脉冲和12脉冲整流技术在选择电感时,要充分考虑到功率因数的恶劣情况才能使设备可靠工作。


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