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未来UPS、EPS技术(五)
时间:2013/4/2  来源:柏克  点击:
 
如果不知道平均故障间隔时间MTBF,或者厂商提供的MTBF数据是不可信的,那么可用UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的效率和输出能力各项指标来衡量它的可靠性,这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和输出功率因数等。   以下是已推向市场的500KVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标: ……

五、无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源可输出的功率等级和可靠性问题

  尽管无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的电路技术已经很成熟,但能否形成工业化产品,输出功率能达到多大,可靠性水平如何,却与器件水平和性能有直接的关系。

  1、无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源可输出的功率等级

  下面以500KVA无输出变压器UPS为例,看它对开关功率器件IGBT的耐压和工作电流有什么样的要求。

  根据图14可知,在UPS直流母线电压为稳定的±400V的情况下,每个桥臂的一支IGBT导通时,另一支截止的IGBT承受的电压将是800Vdc。

  IGBT的工作电流可根据输出功率和直流母线的最低电压计算出来。

  在无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源中,以输出半桥逆变器对IGBT的性能要求最高,图20表示了半桥逆变器中各种电流参数的关系。

 

  逆变器输出功率:500KVA;

  单相输出功率:500KVA/3=166.7KVA;

  单相输出满负载电流有效值:166.7KVA/220V=757.75A;

  在无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源中,前级PFC整流是稳定的±400V,但是当市电停电而转入电池放电时,就要考虑电池放电下限电压(-11.25%额定电压),所以逆变器单相输出满负载电流有效值应该是:757.75A ×(1+0.1125)= 843A;

  逆变器工作在正弦脉宽调制(SPWM)状态下,假定在输出电流峰值期间最大的占空比为4:1,则IGBT工作峰值电流是:843A×1.414×1.20=1430.4A,在工作频率5-15KHZ情况下,峰值电流的宽度为0.15ms~0.05ms.

  选用器件时,通常的做法是,在可能的最大的耐压和电流值基础上再增加50%的安全余量,即器件耐压(VCES):

  800V×1.5=1200V

  器件输出电流有效值能力:843A×1.5=1264.5A

  器件输出电流峰值能力:1430.4A×1.5=2145.6A(0.15ms~0.05ms)

  考虑到工作频率和价格等因素,选用器件时常常是用低容量的器件进行并联,这时存在并联均流的问题,所选并联器件应降容5%使用,也就是说,做500KVA无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源时所选用的IGBT并联后的总输出电流有效值和峰值电流应大于:

  器件输出有效值能力: 1264.5A /0.95=1331A

  器件输出峰值能力: 2145.6A /0.95=2258.52(0.15ms-0.05ms)

  把以上推算结果列表在表4中。

 

 500KVA无输出变压器UPS输出逆变器对IGBT器件的要求

  就目前器件水平而言,满足上述要求的IGBT器件有多种型号和规格,再考虑IGBT并联工作,可选择的余地就更大了。

 

  日本富士公司的IGBT(2MBI450U4J-120-50)的主要性能参数。

  表5:2MBI450U4J-120-50的主要参数

  在使用表5数据设计电路参数时,以下考虑是符合实际情况的:

  (1) 连续工作电流可理解为PWM工作时的输出电流有效值,即正弦电流最大值可达到600A×1.414=848.4A(TC=25ºC)和450A×1.414=636.3A(TC=80ºC);

  (2) 当逆变器工作在PWM模式时,IGBT管中的峰值电流是有效值×1.414(峰值系数)×1.25(假定电流峰值时占空比为4:1,宽度为0.15ms-0.05ms)=1.767倍。而表中峰值电流(1ms)可达到连续工作电流的2倍。所以用有效(连续)值是不影响器件的安全性的。

  (3) 考虑到设备管壳温度通常控制在《70ºC,所以可认为连续电流可达到500A,峰值电流》900A。设计时,用三只并联总有效值=500A×3×0.95(并联降容)=1425A,峰值电流》900A×3×0.95=2565;

  把设计要求和选用器件的实际最大输出能里比较一下,如表6所示。

 

设计要求和实际最大输出能力

  上面设计举例选用的是富士公司的IGBT(2MBI450U4J-120-50),实际上满足和高于上述要求的器件很多,而且有些管子的电流容量也远大于本例所用的数值,管子组装也有单管、单桥臂、6管集成等形式。

  总的结论是,当前的IGBT功率开关管的输出能力和电器性能使无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的输出能力达到400-500KVA是不存在

  问题的。

  2、关于无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源工作可靠性的讨论

  设备的可靠性与多种因素有关,包括:电路研制定型水平、技术人员技术水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。电路结构变化有个技术成熟的过程,当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的,影响大小最终取决于两个因素:电路技术成熟程度和器件水平。

  (1)、技术成熟是毋庸置疑的

  无变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源采用的新技术主要有两点:一是AC/DC高频整流(PFC)技术,二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久,已成为电力电子设备的经典技术,应用也非常广泛,所以技术成熟程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源中仅是最近十年的事情、因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题,但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。

  (2)、当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的更高要求

  在无变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源中,对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器,而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压(Vces)和输出电流(有效值和峰值)能力,从表4、表5和表6可以看出,当前的IGBT的输出能力可以完全满足400-500KVA的大功率无输出变压器UPS电源 eps电源 及应急电源 不间断电源

  值得注意的是,在无变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的输出半桥逆变电路中,输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的,输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源是通过输出变压器升压形成的,在升压比为1:1.9或1:1.78(见本文第二节第2点和图8)时,同时考虑三角型/星型接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍,所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1(或1.78/1.73=1.03倍)倍。数据说明,对同样输出功率的UPS,无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源对IGBT的电流输出能力的要求并不比比传统的带输出变压器UPS高。也就是说,从IGBT的电流输出能力来看,能做多大功率的带输出变压器UPS,就可以做到多大输出功率的无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源

  与带输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源相比,无输出变压器UPS的输出逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的输出

  全桥逆变器中,IGBT的耐压就是直流母线电压,一般在400多伏,而在无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的输出半桥逆变器中,直流母线电压是±400V,要求IGBT的耐压要大于800V。虽然当前的器件耐压1200V已不成问题,但此要求不仅仅是静态耐压问题,更严重的是IGBT的开关电压变化率(dv/dt)和开关损耗问题,因而这是电路设计和器件选择时必须重视和解决的问题。

  (3)、输出隔直流问题

  从图14和图15可以看出,由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时,或在一个IGBT或二极管短路的情况下,400V直流母线电压会直接输出到负载端(此时电感变成阻抗很小的导线)。单相负载输入整流后的直流母线额定电压是311V,考虑负载输入允许的+15%的上限,直流母线额定电压是357V,并联在整流电路输出端的滤波电容耐压通常是400V。当UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源发生这种故障时输出直流电压会接近400V,滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。

  出现这种情况在理论上是有可能的。然而,如果出现这一危险情况,即使缺少了专门的直流分量检测电路(例如,检测电路故障或参数飘移等),也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知,直流电压可能发生短路,从而立即终止逆变器的工作,同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关,它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电,以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电的动作时间很短,可在输出电压上升过程中完成,因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中,这种故障几乎没有出现过。

  (4)、无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的可靠性指标

  如果不知道平均故障间隔时间MTBF,或者厂商提供的MTBF数据是不可信的,那么可用UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源的效率和输出能力各项指标来衡量它的可靠性,这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和输出功率因数等。

  以下是已推向市场的500KVA无输出变压器UPS的可量化的可靠性指标:

  输出功率因数能力:0.9;

  逆变器短路能力:150 ms:2.5 - 3 In(输出400 V)

  逆变器过载能力:125% In :10分钟;135% In:1 分钟;150% In:30秒

  额定电压下的峰值因数:≥3 :1

  动态性能:± 2%,从0到100%或从100到0%的负载阶跃变化效率:94.5%(50到100%负载率)

  这些数据说明,无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样,都达到了很高的水平。可靠性已再不是无输出变压器UPS电源 eps电源 应急电源 不间断电源设备的关键问题。

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