工频机和高频机是两种不同的技术路线或构架,而工业机和商业机是行业用户应用时,反映了可靠性和适用性的等级高低。工业机的显性特征是高EMC抗扰度(为了防止电气环境的传导及辐射电磁干扰对UPS正常工作的影响);高IP防护等级(为了防止灰尘、水溅、有害气体等对UPS正常工作的影响);输出工频隔离变压器(由于在工业应用中,UPS的旁路输入是独立的,且要求增加工频隔离变压器,所以输出配电系统灵活,可再生一个TN系统、IT系统,电气隔离等);隐性特征是根据用户用电环境、负载情况而制定的整流器及逆变器的控制算法及采样设计。
1956年,美国人J.莫尔制成晶闸管雏型。1957年,美国人R.A.约克制成实用的晶闸管。50年代末晶闸管被用于电力电子装置,60年代以来得到迅速推广,并开发出一系列派生器件,拓展了电力电子技术的应用领域。
电力电子电路随着晶闸管应用的推广,开发出许多电力电子电路,按其功能可分为:
3、将一种形式的交流电能转换成另一种形式的交流电能的交流变换电路;
4、将一种形式的直流电能转换成另一种形式的直流电能的直流变换电路。
这些电路都包含晶闸管,而每个晶闸管都需要相应的触发器。于是配合这些电力电子电路出现了许多的触发控制电路。所以,有专家把晶闸管诞生的1957年,叫电力电子技术产生的元年,由此电子技术学科分为电力电子技术和信息电子技术。在这个大背景下,第一代静态工频UPS在1964年应运而生(见图1)。
图1中设计了4个逆变变压器;四个变压器又分为两组,每组含有两个变压器;变压器的一次侧为三角形连接,二次侧绕组一个为星型,另一个为曲折星型(Zig-Zag,30°相移);每组的两个变压器,在一定程度上可消除部分的谐波;调整两组变压器间的相移即可调整逆变器的输出电压。由于整流器、逆变器、变压器均属工频,故俗称纯工频UPS。纯工频UPS,就逆变器输出变压器而言,经历了变压器的数量从4个减少2个,2个减少到1个的过程。示意图如图2、图3所示。
1962年,GE公司研制出第一个600V/200A GTO,克服了普通晶闸管不能门极控制关断的缺点。但是GTO一直在技术上不过关,在应用中容易烧毁。1974年,日本东芝等公司采用NTD单晶片并通过计算机模拟技术在GTO研制上取得突破,生产出1200V/2000A的GTO。而越做越大的双极晶体管采用垂直结构、达林顿级联技术以及多元胞集成并联等技术已经做到500V/ 200A/ 50(电流放大倍数hfe),此时已称其为GTR。20世纪70年代末,由于半导体超净技术的进步,长期阻碍MOS器件的“表面态”杂质离子问题也得到控制及解决。
这种最早就构想出的器件却因为技术问题而较晚到来,但是它的性能更为优秀,也更容易制造。因而,MOS集成电路在20世纪70年代末得到飞速发展。在20世纪80年代初,以MOS集成电路为基础的垂直扩散MOS功率器件VDMOS也在国际整流器公司(International Rectifier)的努力下逐渐走向成熟。1982年GE公司的美籍印度人B.J.Baliga和Motorola公司几乎独自同时发明IGBT。1984年,GE公司的V.A.K.Temple发明性能更为优秀的MCT(H),并在1991年商品化生产。但在20世纪90年代末,因结构过于复杂,成品率低而陷于停滞状态。在20世纪90年代初,日本三菱公司研制开发的以IGBT为基础的智能功率模块(IPM——Intel ligent Power Module)经过近十年的改进,进入成熟应用。1995年,西门子公司首次推出了非穿通结构(Non Punch Through)的NPT-IGBT,这在技术上是一个里程碑。因为,NPT-IGBT技术可以使得功率开关器件在高温可靠性、安全工作区、超高耐压、低成本、高开关性能等诸多方面同时得到显著提高。采用NPT-IGBT技术及GTO圆片工艺,目前已经可以做出6500V/600A的NPT-IGBT。
所以,在20世纪80年代中期,UPS的逆变器进入高频时代,IGBT工作频率通常在开关频率为3～10kHz。工作耐压为600V。只是由于母线直流电压未采用DC/DC升压,仍需用工频升压变压器,故仍将此类机型叫工频机,去掉了“纯”字,如图4所示。
同一时期,最能代表工业机特点的电力专用UPS诞生。随着DCS的引进,电力行业开始批量使用UPS,发现UPS里的电池故障率高。国内外的变电站、电厂等有直流屏的用户,对UPS电池的管理提出了一个设想,希望用“UPS机头”,即UPS不配电池和充电,直流端直接接到直流屏上。这样用户的直流维护人员保证了电池的安全,提高了UPS的可靠性,也降低了电池的投入,如图5所示。
最能代表工业机定制特点的电力专用UPS特征如下:
1、电力UPS自身不带蓄电池组,直接使用直流屏母线上挂的电池组,因此电力UPS可不设充电器;2、因直流屏的电池母线有对地绝缘检测,所以电力UPS的输入/输出必须有隔离变压器;4、电力专用UPS一般都由电力UPS主机、旁路稳压柜、输出馈线柜等三部分组屏供货;5、由于电厂的DCS系统负载大多数为单相负载,单相负载配电线路简单、维护方便。因此电力专用UPS大多输出单相220V,容量一般在160kVA范围之内。
以上构架的电力专用UPS,也可叫工频式电力专用UPS或工频式工业型UPS。
2000年以后,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。IGBT系列模块,耐压达到了1200V/ 1700V/ 2000V/ 2500V/ 3300V/ 6500V,这时UPS的整流器也进入高频化,通常用耐压1200V的IGBT系列模块,开关频率为3～10kHz。
图6所示的UPS,市电输入经过IGBT调制整流,获得直流电压(400～500V),经逆变器调制后输出交流线电压(310V左右),最后通过输出变压器升到所需的线电压380V稳定电压。由于仍需用工频升压变压器,即便整流与逆变器都是高频,仍将此类机型叫工频机。
如图7所示的UPS,市电输入经过IGBT调制整流,并将直流电压升压至800V左右,直接通过逆变器调制滤波后输出所需的线电压380V稳定电压。
由于此机型整流与逆变器属高频,且没有工频升压变压器,故叫高频机。
随着高频机时代的到来,尤其是有高频特征的IGBT整流技术,以其输入功率因数≥0.95,输入THDI≤5%,对电网污染小,而被称为绿色整流,在此高频机技术上制造的工业机叫新一代绿色工业机。它在设计时,保留了工业机的显性特征:高EMC抗扰度、高IP防护等级、输出工频隔离变压器、及隐性特征、整流器及逆变器的控制算法及采样设计。现在在工业领域的数据中心也逐步应用,就技术而言是未来工业机的发展方向,如图8所示的UPS。
结束语
综合以上所述,我们可以总结如下:工频机和高频机是两种不同的技术路线或构架,工业机和商业机是行业用户应用时,反映可靠性和适用性的等级高低。因此,工频机和高频机都可以做工业机。同理,工频机和高频机都可以做商业机。工业型UPS它采用了高度工程组件化的方法。它的定义是以用户为中心,并与用户一起来研判行业的用电环境(如输入三相不平衡、晃电、谐波等)、负载环境(如整流器、变压器、电机等)、空间及气候环境等(如粉尘、高温、高湿、海拔等),而“量身定制”的UPS系统解决方案。这种高度工程组件化的方法极大的提高了UPS系统的可靠性和适用性。
在选用工频式工业机或高频式工业机方面,各行业用户有其笃定的习惯性,经验性,很难短期内得到改观。所以,我们在推动工业级UPS广泛运用的时候,要实事求是的解决用户的疑难杂症,要审时度势的引入高新技术。总之,工频UPS不等于是工业UPS。
