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取代工频SCR整流的高频数控UPS高频储能变流原理

来源:中国科学院高能物理研究所 作者:沈经 更新时间:2010-10-25 15:42:54

摘要:现在先来看一下认为“不可靠”的意见。其中大多是系统与电路设计问题,原则上不难解决。最根本性的“要害问题”是提出了IGBT器件耐过载时间是20μs,而SCR的耐过载时间是20ms,相差1000倍,因此“不可靠”。更严重的问题是“高频整流的储能升压有更严重的材料根本性极限问题”!这些问题是对于深刻理解这一革新是十分有意义的。

  1引言
  
  前文中已经介绍了在1997年开始,三菱电机功率因数达到0.999第3代UPS即高频数控IGBTSPWM变流取代高频SCR整流的UPS,也已经无故障、不间断运行至今有近10年了。[1-10]而且,今天,美国Eaton公司也已经推出了大功率IGBT整流的高频机UPS。但是,直到2010年5月,在我国的有些(不制一家)刊物上,发表着类似的技术性文章,还继续地认为,高频机UPS的种种“潜在的故障隐患”的说法。
  
  由于这一步,不是从3脉冲、6脉冲、12脉冲等在原理不变下的小改进,而是原理性的大革新。其效果是:
  
  1)将输入功率因数从工频整流的0.7提高到0.999,而大大地节能。
  
  2)工频整流0.3的无功功率产生的EMI电磁干扰大幅度地压低。
  
  3)从工频50Hz运行到10kHz运行后,变压器、电感器、电容器都可大大地缩小,于是铜、铁、稀有金属用量大大地减少,也就大大地进行了节能减排。
  
  既然取代SCR工频整流的是IGBT-SPWM的高频变流(Converter),那么,为什么比IGBTPWM用于逆变(Inverter)晚了10年?这是以后要说明的。
  
  现在先来看一下认为“不可靠”的意见。其中大多是系统与电路设计问题,原则上不难解决。最根本性的“要害问题”是提出了IGBT器件耐过载时间是20μs,而SCR的耐过载时间是20ms,相差1000倍,因此“不可靠”。更严重的问题是“高频整流的储能升压有更严重的材料根本性极限问题”!这些问题是对于深刻理解这一革新是十分有意义的。在搞清这些问题之前,首先要说明“IGBTSPWM变流高频机UPS”的原理,与这种新原理的来龙去脉。本文将说明取代“工频整流”的“高频储能变流”的原理及其发生发展的历史渊源。
  
  Faraday-Stanley变压器输能变压
  
  “工频整流”变压器的传输电磁能与电感器储存电磁能两者不同的原理图(图2.1)。当其与电源接通或断开时,回路中的总电动势包括电源正电动势与自感反电动势之和。由回路中的Ohm定律与Faraday感应定律列出方程


  
  当接通电源时,(2.1)式的电流解是


  
  传统整流器的Saraday-Stanley变压器升压整流:变压器与整流管的极性设计是:在图2.2中的斜线部分(纵坐标电流乘以电压就得到功率),即电源输入电流的能量直接进入了负载,而不利用散点部分表示的电流。

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