高频机结构上海UPS不间断电源的未来

节能减排是众所周知的国策。地下资源是有限的，这些资源的使用伴随着空气污染。因此，国家大力建设核电站、风电场、光伏电站和光热发电厂。并取得了巨大的成就。能源利用也取得了很大进展。例如，近年来，国航和波音公司将生物喷气燃料成功应用于航空领域，这是一个历史性的里程碑。在IT领域，也不例外。数据中心遍地开花，用电量大幅增加。不顾忌用电，不改变原有用电方式，已经不符合当代国家政策。直接为IT设备供电的UPS，也必须改变原来漠视效率的习惯，也必须以节能为前提。喜人的高频机UPS的问世和成功使用，填补了空白，为IT绿色数据中心时期开辟了道路。

2023-01-01 09:26:12

一.概述
节能减排是众所周知的国策。地下资源是有限的，这些资源的使用伴随着空气污染。因此，国家大力建设核电站、风电场、光伏电站和光热发电厂。并取得了巨大的成就。能源利用也取得了很大进展。例如，近年来，国航和波音公司将生物喷气燃料成功应用于航空领域，这是一个历史性的里程碑。在IT领域，也不例外。数据中心遍地开花，用电量大幅增加。不顾忌用电，不改变原有用电方式，已经不符合当代国家政策。直接为IT设备供电的上海UPS不间断电源，也必须改变原来漠视效率的习惯，也必须以节能为前提。喜人的高频机UPS的问世和成功使用，填补了空白，为IT绿色数据中心开辟了道路。
二、12脉波整流谐波滤波器和IGBT高频整流器
1.12脉冲整流谐波滤波器的建议
6脉波整流器俗称三相可控硅全桥整流器，12脉波整流器俗称六相可控硅全桥整流器。原因是晶闸管的导通需要一个脉冲触发，一个晶闸管需要一个脉冲，三相晶闸管有6个晶闸管进行全桥整流。当然也需要六个脉冲。不知道什么时候，谁给它起了这么个名字。这是一个非常不科学的名字，就像脉搏可以矫正一样。脉冲只是一个电信号，而整流需要真实的器件，两者毫无共同之处。12脉冲整流也意味着这一点。既然你已经习惯了这个名字，为了方便分析，你在称呼通用的时候就要用到它。
早期的中大功率不间断电源整流器都采用可控硅整流器，是三相全桥整流电路。官方说法是，这个整流器破坏了主电网的输入波形。该图显示了市电输入的正弦电压波形。当负载为电阻性负载如电炉、电暖器时，由于传输损耗，负载的输入端为幅值略有减小的正弦波，输入
节能型高频机结构UPS是历史发展的必然产物。
图不同负载的市电情况。
功率因数为1；然而，对于带有6个脉冲整流器的不间断电源，负载输入端的电压波形会失真，如图所示。这是因为可控硅破坏了电网的正常波形。输入功率因数降至0.8以下，电流出现谐波成分，产生无功功率。因此，可控硅天生就是破坏电网波形的。
上述负荷情况对电网造成压力，在一定程度上影响了电网能量的有效利用。为了改善这种情况，希望这种破坏力能小一些，于是提出了12脉波整流器，也就是6相全波整流器。该图显示了12脉冲整流器电路的示意图。从图中可以看出，从6脉波整流器到12脉波整流器结构，增加了一套相同容量的6脉波整流器、一个体积庞大的移相变压器和两个平衡电抗器，使得5、7次谐波消失，但11、13次谐波依然存在。为了进一步降低破坏性，一般会增加一个11次谐波滤波器，这样可以将输入功率因数提高到0.95。但是成本是相当大的。比如某品牌300kVA脉冲整流UPS，重量1.2吨。升级为12脉整流后，设备数量增加了600kg，达到2.2吨，资金、材料、面积、空间、能耗都占了，负担很重。节能型高频机结构UPS是历史发展的必然产物。
图12脉冲整流电路示意图
原因是可控硅在59Hz下的整流滤波，把本应在整个半周导通的正弦电流波形，变成了在短时间内仍然提供相同面积电流的脉冲波，所以脉冲波的幅度一定很高。比如在半波全导通，平均电流iAverage和正弦波电流对应的峰值iPeak的关系是iAverage=0.637iPeak，那么如果在整流滤波的情况下只开启30度，那么这个脉冲的峰值就是I=I iAverage 180/30=6ia verage=3.82 peak，看不见的正弦波的峰值电流增加了近3倍，也是由于传输线的阻抗，电压正弦波的峰值被压低，如图12左下角所示。12脉波整流是指将原来的6脉波整流后的脉冲电流分成两部分，几乎将峰值电流减少了一半，因此对电网的压力也减轻了。如上例所述，仍有接近两倍的峰值电流，仍有破坏作用，即成本与获得的效果相比确实不经济。如果增加整改阶段的数量，成本会更大，但取得的效果却微乎其微，所以这条路走到了尽头。
2.IGBT高频整流器终会淘汰可控硅整流器的原因
(1)IGBT的出现及其在逆变器中的成功应用为整流器提供了经验。
早期的逆变器也使用可控硅器件，但可控硅逆变器只能输出方波，用户需要的是市电一样的正弦波。为了做到这一点，必须使用巨大的液晶滤波器，它们重量大、功耗大、占地面积大。为了解决这个问题，将逆变器的输出电压做成接近正弦波的形式，称为阶梯波。如图所示，阶梯波通过LC滤波器后被整形为正弦波。这种方法实际上减少了LC滤波器的体积，但逆变器的数量增加了，这仍然没有从根本上解决问题。
节能型高频机结构UPS是历史发展的必然产物。
图4可控硅逆变器输出梯形图
半导体晶体管和脉宽调制(PWM)技术的出现从根本上改变了逆变电路的结构和功能。由于逆变器的高频脉宽调制，输出正弦波非常方便，所以不需要组合几套逆变器，而且由于调制频率为几千赫，滤波器的容量和尺寸明显减小，甚至可以将滤波器电感和输出变压器集成在一起，只需在变压器的输出端连接一个电容。但是后来发现晶体管存在二次击穿和并联均流不易的缺点，运行中故障率高。后面来的MOSFET，虽然没有二次击穿，但是不容易实现大功率。IGBT是晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管的结合体，它成功地为逆变电路打开了大门。IGBT在逆变器领域的成功应用已经有二十年了，现在还处于年轻阶段。(2)逆变器用IGBT，为什么不替换整流器的晶闸管？
我们要看当时的具体情况。众所周知，由于晶闸管导通后不能关断，所以晶闸管控制的每半波只有一个触发脉冲。因为晶体管可以通过控制信号自由清理，所以可以通过多脉冲控制。正是这一特性促成了逆变器的革命性变化。当IGBT出现时，逆变器由多个脉冲控制。这个控制信号可以直接在IGBT使用，甚至可以简化电路。然而，此时可控硅仍与50Hz单脉冲控制同步。如果改成IGBT，就相当于重新设计。对于一个已经形成产品线的工厂来说，在产品销量还不错的情况下，谁愿意做出费力的改变呢？
另一方面，当时一是对输入功率因数没有强制性要求，二是没有像现在这样的国际国内节能减排政策限制。谁想做得更多？即使在节能减排被列为国策的现在，IGBT整流器的实施仍面临诸多障碍，那个时代就更不用说了。只有那些有远见、有实力的公司愿意这么做。
(3)不间断电源整流器急需用IGBT取代可控硅。
国家现行的节能减排政策让UPS无立足之地。如前所述，首先，可控硅整流滤波对电网的损害是无法克服的。12脉整流11次谐波滤波器虽然宣传得很好，但是先破坏后治理。这就像一个人穿着长钉走过地毯，在地毯上打孔，然后请工匠修补。问题是，我们为什么不用带钉子或不带钉子的平底鞋呢？它节省时间和材料。这双鞋过了之后地毯完好不是很好吗？
有人宣传说IGBT的整流器不可靠。20多年来，IGBT在变频器上的成功应用，仍然说明了这个问题。当然，逆变器的输入电压是稳定的，而整流器的输入电压有时不稳定，但可以控制，因为任何UPS对输入电压范围都有严格的规定。一旦输入电压超过这个范围，就认为市电故障，输入被切断，改为用电池供电。
(4)用户的顾虑
部分用户不敢使用全IGBT调谐器结构UPS的原因之一是责任问题。如果购买者选择旧工频机结构的UPS，即使出了问题，也是有借口的。然而，采用新技术并非如此。好好使用机器是对的。一旦出了问题，很难向领导解释明白。例如，在一个财务单位中，数据室在前几年使用了400千伏安不间断电源。虽然耗电量大，但输入功率因数低，运行成本高，机组还是能承受的。所以，这次新机房的建设还是不敢越雷池一步。虽然5000kVA的容量被高频机结构的UPS替代，但可减轻重量30T，至少节省占地面积50m2，每年可节省250万kWh。在有这样诱惑力的前提下，即使国家节能减排政策颁布了几年，机组还是选择了不节能的工频机UPS。可见新旧交替有多难。四.全IGBT主电路结构的优点
图为全IGBT主电路的基本结构示意图。输入电路完成整流和变换两个功能，输出电路由于有半桥逆变换器，可以自行输出三相四线电压。由于这些变化，UPS获得了许多出色的指标。
节能型高频机结构UPS是历史发展的必然产物。
图全IGBT主电路结构示意图
1.绩效指标的优势
输入功率因数：0.99以上；但是，即使工频机结构的UPS是12脉11次谐波滤波器，虽然理论上可以达到0.95，但如果不尽力，很难达到这个数值。笔者测试了十几台品牌的12脉11次谐波滤波器的400kVA UPS，但都没有达到0.95，甚至只有少数达到0.85。
效率：在笔者对这些工频机的UPS测试中，负载在80%-100%之间，效率低于90%。而某调谐器结构的UPS在半负载时可以达到94%以上。
2.该结构的优点
例如体积和重量：由于移相变压器、一套6脉冲整流器、两个平衡电抗器和一个输出变压器，工频机的UPS明显增加了体积和重量。比如一个品牌的300千伏安UPS重2200公斤，而另一个300千伏安高频UPS只有830公斤，大约是同容量工频UPS的1/3。
3.操作和维护的优势
而整流器和逆变器是更重要的备件，也是更昂贵的备件。如果是模块化的，这两个模块对于工频UPS应该单独购买，而对于高频UPS，一个整流器一个逆变器就足够了，因为可以互换使用。
4.工作方法的优势
一些出名的高频机结构的UPS厂商，甚至大功率的(如200kVA或275kVA)，都是模块化的，不仅为在线维护、在线更新、在线升级带来了便利，也为高效运行赋予了新的功能。该图显示了500千伏安容量的双电源负载供电模式的示意图，此时，不间断电源
节能型高频机结构UPS是历史发展的必然产物。
双总线供电模式示意图示例
采用双总线供电方式。例如，每个不间断电源的容量为550千伏安，每个不间断电源有两个275千伏安的不间断电源模块。正常情况下，满负荷运行时，每个UPS只提供一半的负荷容量。如前所述，此时的功率效率在94%以上。一旦负载能力下降到50%以下，即低于250千伏安，那么此时，每个不间断电源只提供1/4的负载能力，这明显降低了效率。为了提高供电效率，此时两个上海UPS不间断电源模块中的一个会自动进入休眠状态，只留下一个模块继续供电。因此，每个UPS仍处于半负载供电状态，保持更高效率。到目前为止，还没有发现哪种工频机结构的UPS具有这种功能。