一、綠色UPS的定義

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類越來越意識(shí)到能源和環(huán)境是社會(huì)賴以發(fā)展的兩大要素。目前各行業(yè)都以綠色、節(jié)能、環(huán)保作為新的發(fā)展方向。在UPS應(yīng)用方面，傳統(tǒng)UPS輸入電流諧波較大、輸入功率因數(shù)較低等問題也成為亟待解決的問題，而IBGT整流技術(shù)的應(yīng)用不僅使輸入功率因數(shù)得到提高，而且電流諧波也大大減小。

諧波(harmonic)一詞起源于聲學(xué)。 18世紀(jì)人們就已經(jīng)用數(shù)學(xué)對(duì)諧波進(jìn)行分析。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

諧波是由于非線性關(guān)系的負(fù)載產(chǎn)生的。我們把負(fù)載分為線性和非線性兩類。國標(biāo)GB/T7260-3中對(duì)線性負(fù)載有明確的定義:3.2.6 線性負(fù)載 linear load 當(dāng)施加可變正弦電壓時(shí),其負(fù)載阻抗參數(shù)(Z)恒定為常數(shù)的那種負(fù)載。 3.2.7 非線性負(fù)載 non-linear load 負(fù)載阻抗參數(shù)(Z)不總為恒定常數(shù),隨諸如電壓或時(shí)間等其它參數(shù)而變化的那種負(fù)載。簡(jiǎn)而言之，二者都施加正弦電壓時(shí),線性負(fù)載的電流是正弦的,非線性負(fù)載的電流是非正弦的。 如下圖1

雖然，在現(xiàn)實(shí)生活中，純阻性負(fù)載、純感性負(fù)載和純?nèi)菪载?fù)載是不存在的，但我們?nèi)钥砂呀朴趫D1、a的負(fù)載叫線性負(fù)載，圖1、b的負(fù)載叫非線性負(fù)載。

另外，大量的諧波電流存在，還會(huì)使輸入電壓發(fā)生了畸變。我們國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)GB/T 14549-93》電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波規(guī)定電壓波形正弦畸變不大于5％（THDV）。

根據(jù)IEC6100-3-4∶1998的標(biāo)準(zhǔn)要求:大于16A的電氣設(shè)備，輸入功率因數(shù)大于0.92，輸入電流諧波（THDI）小于8%，這是綠色UPS的基本要求和定義。在中華人民共和國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通信用不間斷電源——UPS中，把UPS分成  I，II， III三級(jí)，相對(duì)應(yīng)的輸入功率因數(shù)分別為0.95≥， 0.90≥，0.85≥。輸入電流諧波成分為 <5% ，<15% ，<25%。只有I類是達(dá)到節(jié)能減排的綠色要求的。

二、 傳統(tǒng)UPS整流技術(shù)

傳統(tǒng)UPS整流技術(shù)最大缺點(diǎn)就是對(duì)電網(wǎng)的輸入電流諧波干擾問題，由于輸入斬波產(chǎn)生的回潰污染。當(dāng)UPS的輸入端AC/DC整流電路中采用的是六脈沖整流技術(shù)時(shí)，輸入的功率因數(shù)只有0.66～0.8，與負(fù)載量成反比，形成的總諧波分量達(dá)35%左右，特別是中大功率UPS，大量的諧波電流會(huì)注入電網(wǎng)。若采用6脈沖疊加的方式的12脈沖，隨著脈沖數(shù)的增加，電源側(cè)輸入諧波電流也隨著降低，但會(huì)導(dǎo)致整流結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加，可靠性降低。

       綜上所述，傳統(tǒng)的UPS在投運(yùn)時(shí)，將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，使設(shè)備(如電容器、線路、變壓器等)過流、損耗增加、計(jì)量誤差、繼電保護(hù)誤動(dòng)作及對(duì)通訊干擾等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電網(wǎng)振蕩。同時(shí)由于它的輸入功率因數(shù)低，輸入無功功率大，導(dǎo)致線路和變壓器等損耗增大，變壓器利用率降低。

三、 IGBT整流技術(shù)

IGBT整流技術(shù)是隨電力電子技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型整流技術(shù)，它具有高效率、低污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(大電流的雙極結(jié)型晶體管）和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR（電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。IGBT在UPS中的應(yīng)用最早只限于逆變器。這主要是因?yàn)殡m然IGBT的電流雖然做得比較大，但耐壓等級(jí)尚不足對(duì)付變化很大的電壓范圍，經(jīng)過近三十年的發(fā)展，IGBT制造技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，已經(jīng)達(dá)到了用于UPS整流器的條件。目前6500v/600A的IGBT，大量運(yùn)用于高速機(jī)車的牽引變流器。正所謂：“一代器件帶動(dòng)一代應(yīng)用”。

      PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多。

1、單相PWM整流電路

圖2、為單相全橋PWM整流電路

單相全橋PWM整流電路的工作原理：

      正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖2中的V1~V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB

      uAB中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波，不含有低次諧波

      由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)

      當(dāng)正弦信號(hào)波頻率和電源頻率相同時(shí)，is也為與電源頻率相同的正弦波

us一定時(shí)，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定

      改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度

整流狀態(tài)下

us > 0時(shí)，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例

V2通時(shí)，us通過V2、VD4向Ls儲(chǔ)能

V2關(guān)斷時(shí)，Ls中的儲(chǔ)能通過VD1、VD4向C充電

us < 0時(shí)，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個(gè)升壓斬波電路

     由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對(duì)器件形成威脅

      另一方面，如直流側(cè)電壓過低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到圖6-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會(huì)畸變

      可見，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會(huì)使性能惡化，以至不能工作

2、三相PWM整流電路

      圖3，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應(yīng)用最廣

工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴(kuò)展到三相；進(jìn)行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖4的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1，如圖5。

      由于IGBT整流技術(shù)在UPS電源上的應(yīng)用，使UPS輸入功率因數(shù)提高，輸入電流諧波成分減小。三種整流模式UPS和諧波及功率因數(shù)對(duì)比見下表：

通過表1可以看出IGBT整流模式的UPS與傳統(tǒng)UPS相比，輸入功率因數(shù)顯著提高，而總輸入電流諧波大大降低。從而不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，也就不會(huì)影響電網(wǎng)和電網(wǎng)上其它設(shè)備的安全及運(yùn)行。

從表1中我們從以上可以看出，如果要達(dá)到節(jié)能減排的綠色要求，只有IGBT整流才能達(dá)到，而12脈沖整流需加無源濾波器，6脈沖整流需加有源濾波器才能達(dá)到。

       同時(shí)，采用IGBT整流，在10%負(fù)載時(shí)其輸入功率因數(shù)就能〉0.95，12脈沖整流，在10%負(fù)載時(shí)輸入功率因數(shù)〉0.85，6脈沖整流，在10%負(fù)載時(shí)輸入功率因數(shù)〉0.75 。從此方面，也只有IGBT整流可滿足電網(wǎng)對(duì)輸入功率因數(shù)的要求。

5 結(jié)論

所以，UPS 采用IGBT整流技術(shù)，它順應(yīng)節(jié)能減排和綠色環(huán)保的新趨勢(shì)，提升了對(duì)UPS輸入諧波失真及輸入功率因數(shù)等相關(guān)指標(biāo)的要求，推動(dòng)了高頻變換、軟開關(guān)等減少噪聲及減少對(duì)電網(wǎng)污染的新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用，可以稱得上是真正的綠色電源。