一、绿色UPS的定义

随着社会的进步，人类越来越意识到能源和环境是社会赖以发展的两大要素。目前各行业都以绿色、节能、环保作为新的发展方向。在UPS应用方面，传统UPS输入电流谐波较大、输入功率因数较低等问题也成为亟待解决的问题，而IBGT整流技术的应用不仅使输入功率因数得到提高，而且电流谐波也大大减小。

谐波(harmonic)一词起源于声学。 18世纪人们就已经用数学对谐波进行分析。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

谐波是由于非线性关系的负载产生的。我们把负载分为线性和非线性两类。国标GB/T7260-3中对线性负载有明确的定义:3.2.6 线性负载 linear load 当施加可变正弦电压时,其负载阻抗参数(Z)恒定为常数的那种负载。 3.2.7 非线性负载 non-linear load 负载阻抗参数(Z)不总为恒定常数,随诸如电压或时间等其它参数而变化的那种负载。简而言之，二者都施加正弦电压时,线性负载的电流是正弦的,非线性负载的电流是非正弦的。 如下图1

虽然，在现实生活中，纯阻性负载、纯感性负载和纯容性负载是不存在的，但我们仍可把近似于图1、a的负载叫线性负载，图1、b的负载叫非线性负载。

另外，大量的谐波电流存在，还会使输入电压发生了畸变。我们国家标准《电能质量 公用电网GB/T 14549-93》电能质量公用电网谐波规定电压波形正弦畸变不大于5％（THDV）。

根据IEC6100-3-4∶1998的标准要求:大于16A的电气设备，输入功率因数大于0.92，输入电流谐波（THDI）小于8%，这是绿色UPS的基本要求和定义。在中华人民共和国通信行业标准，通信用不间断电源——UPS中，把UPS分成  I，II， III三级，相对应的输入功率因数分别为0.95≥， 0.90≥，0.85≥。输入电流谐波成分为 <5% ，<15% ，<25%。只有I类是达到节能减排的绿色要求的。

二、 传统UPS整流技术

传统UPS整流技术最大缺点就是对电网的输入电流谐波干扰问题，由于输入斩波产生的回溃污染。当UPS的输入端AC/DC整流电路中采用的是六脉冲整流技术时，输入的功率因数只有0.66～0.8，与负载量成反比，形成的总谐波分量达35%左右，特别是中大功率UPS，大量的谐波电流会注入电网。若采用6脉冲叠加的方式的12脉冲，随着脉冲数的增加，电源侧输入谐波电流也随着降低，但会导致整流结构复杂，成本增加，可靠性降低。

       综上所述，传统的UPS在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，使设备(如电容器、线路、变压器等)过流、损耗增加、计量误差、继电保护误动作及对通讯干扰等，严重时还会引起电网振荡。同时由于它的输入功率因数低，输入无功功率大，导致线路和变压器等损耗增大，变压器利用率降低。

三、 IGBT整流技术

IGBT整流技术是随电力电子技术的发展而产生的一种新型整流技术，它具有高效率、低污染、结构简单等特点。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(大电流的双极结型晶体管）和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR（电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管）的低导通压降两方面的优点。IGBT在UPS中的应用最早只限于逆变器。这主要是因为虽然IGBT的电流虽然做得比较大，但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围，经过近三十年的发展，IGBT制造技术也有了长足的进步，已经达到了用于UPS整流器的条件。目前6500v/600A的IGBT，大量运用于高速机车的牵引变流器。正所谓：“一代器件带动一代应用”。

      PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。

1、单相PWM整流电路

图2、为单相全桥PWM整流电路

单相全桥PWM整流电路的工作原理：

      正弦信号波和三角波相比较的方法对图2中的V1~V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB

      uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波

      由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动

      当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波

us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定

      改变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与us相位差为所需角度

整流状态下

us > 0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例

V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能

V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电

us < 0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路

     由于是按升压斩波电路工作，如控制不当，直流侧电容电压可能比交流电压峰值高出许多倍，对器件形成威胁

      另一方面，如直流侧电压过低，例如低于us的峰值，则uAB中就得不到图6-29a中所需的足够高的基波电压幅值，或uAB中含有较大的低次谐波，这样就不能按需要控制is，is波形会畸变

      可见，电压型PWM整流电路是升压型整流电路，其输出直流电压可从交流电源电压峰值附近向高调节，如要向低调节就会使性能恶化，以至不能工作

2、三相PWM整流电路

      图3，三相桥式PWM整流电路，最基本的PWM整流电路之一，应用最广

工作原理和前述的单相全桥电路相似，只是从单相扩展到三相；进行SPWM控制，在交流输入端A、B和C可得SPWM电压，按图4的相量图控制，可使ia、ib、ic为正弦波且和电压同相且功率因数近似为1，如图5。

      由于IGBT整流技术在UPS电源上的应用，使UPS输入功率因数提高，输入电流谐波成分减小。三种整流模式UPS和谐波及功率因数对比见下表：

通过表1可以看出IGBT整流模式的UPS与传统UPS相比，输入功率因数显著提高，而总输入电流谐波大大降低。从而不会对电网造成污染，也就不会影响电网和电网上其它设备的安全及运行。

从表1中我们从以上可以看出，如果要达到节能减排的绿色要求，只有IGBT整流才能达到，而12脉冲整流需加无源滤波器，6脉冲整流需加有源滤波器才能达到。

       同时，采用IGBT整流，在10%负载时其输入功率因数就能〉0.95，12脉冲整流，在10%负载时输入功率因数〉0.85，6脉冲整流，在10%负载时输入功率因数〉0.75 。从此方面，也只有IGBT整流可满足电网对输入功率因数的要求。

5 结论

所以，UPS 采用IGBT整流技术，它顺应节能减排和绿色环保的新趋势，提升了对UPS输入谐波失真及输入功率因数等相关指标的要求，推动了高频变换、软开关等减少噪声及减少对电网污染的新技术、新产品的应用，可以称得上是真正的绿色电源。