用戶(hù)在購買(mǎi)大功率UPS的時(shí)候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進(jìn)行選擇的困惑。就UPS廠(chǎng)商方面而言,當然都認為是自己的好,“公說(shuō)公有理,婆說(shuō)婆有理”。提供工頻機的廠(chǎng)商說(shuō)工頻機穩定性和可靠性高;提供高頻機的廠(chǎng)商會(huì )說(shuō)高頻機節省空間,成本相對較低等諸如此類(lèi)的說(shuō)法。其實(shí),工頻機和高頻機到底孰優(yōu)孰劣,很難一概而論,可以說(shuō)各有利弊。用戶(hù)應當在全面認識這兩種UPS機型的基礎上,客觀(guān)審視自身的應用和需求,選擇適合自己需要的產(chǎn)品。
    工頻機和高頻機的原理分析
    工頻機和高頻機是按UPS的設計電路工作頻率來(lái)區分的。工頻機是以傳統的模擬電路原理設計,由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz,顧名思義叫工頻UPS。高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成。IGBT可以通過(guò)控制加在門(mén)極的驅動(dòng)來(lái)控制其開(kāi)通與關(guān)斷,IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾千赫到幾十千赫,甚至高達上百千赫,遠遠高于工頻機,因此稱(chēng)為高頻UPS。
    在工頻UPS電路中,主路三相交流輸入經(jīng)過(guò)換相電感,接到三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓,通過(guò)控制整流橋SCR的導通角來(lái)調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統只能控制開(kāi)通點(diǎn),一旦SCR導通之后,即使門(mén)極驅動(dòng)撤消,也無(wú)法關(guān)斷,只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷,所以其開(kāi)通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期,不存在高頻的開(kāi)通和關(guān)斷控制。由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線(xiàn)電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入交流電壓低,要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。
    相比而言,高頻UPS整流屬于升壓整流,其輸出直流母線(xiàn)的電壓比輸入線(xiàn)電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線(xiàn),所需要的標配電池節數需要67節,這樣給實(shí)際應用帶來(lái)極大的限制。因此一般高頻UPS會(huì )單獨配置一個(gè)電池電壓變換器,市電正常的時(shí)候電池變換器把800V的母線(xiàn)電壓降到電池組電壓;市電故障或超限時(shí),電池變換器把電池組電壓升高到800V的母線(xiàn)電壓。由于高頻機母線(xiàn)電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。因此,有無(wú)隔離變壓器是工頻機與高頻機在結構上的主要區別。
    UPS輸出隔離變壓器的作用
    隔離變壓器是利用電磁感應原理,對配電或信號進(jìn)行電氣隔離的裝置。隔離變壓器在UPS中通常被設計在逆變器的輸出端,可以起到增加UPS性能改善負載端供電質(zhì)量的作用。通常,UPS的輸出隔離變壓器有以下四大優(yōu)點(diǎn):
    降低零地電壓,優(yōu)化UPS末端供電網(wǎng)絡(luò )
    UPS的逆變輸出安裝隔離變壓器可以隔離輸入和輸出之間的電氣連接,從而有效地降低輸出的零地電壓。由于隔離變壓器的副邊繞組采用Y型接法,中性點(diǎn)接地后產(chǎn)生新的零線(xiàn),從而達到降低零地電壓的目的。事實(shí)上,HP、IBM、SUN的小型機因為要保證精密的計算能力與高可靠的數據處理傳輸能力,都會(huì )對零地電壓有極高的要求,加裝隔離變壓器可以徹底解決因為零地電壓偏高所造成的一些問(wèn)題。
    濾除負載端諧波,提高供電質(zhì)量
    隔離變壓器本身具有電感特性,輸出隔離變壓器可以濾除負載端的大量低次諧波,減少高頻*,并可以使高次諧波大幅度衰減。采用電源隔離變壓器,可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲*,提高設備的電磁兼容性。
    增強過(guò)載短路保護能力,保護負載與UPS主機
    由于其自身的特性,隔離變壓器是UPS中工作最為穩定的器件。UPS在正常工作過(guò)程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會(huì )產(chǎn)生反向電動(dòng)勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的沖擊破壞,具有保護負載與UPS主機的作用。
    “通交流阻直流”,UPS故障時(shí)保護負載
    高額UPS的AC/DC變換部分采用高頻化設計,提高了UPS的輸入功率因數(0.98以上)及輸入電壓范圍,DC/AC逆變部分高頻化減少了輸出濾波電感的體積,功率密度大。由于無(wú)輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路,BUS母線(xiàn)直流高電壓將加到負載上，危及負載的安全。輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力，可以解決此類(lèi)問(wèn)題，在UPS發(fā)生故障時(shí)能夠使負載安全運行。
    工頻機和高頻機的性能對比
    在可靠性方面,工頻機要優(yōu)于高頻機
    工頻機采用晶閘管(SCR)整流器,該技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展和革新,已經(jīng)非常成熟,其抗電流沖擊能力非常強。由于SCR屬于半控器件,不會(huì )出現直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言,高頻機采用的IGBT高頻整流器雖然開(kāi)關(guān)頻率較高,但是IGBT工作時(shí)有嚴格的電壓、電流工作區域,抗沖擊能力較低。因此在總體可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。
    在環(huán)境適應性方面,高頻機要優(yōu)于工頻機
    高頻機是以微處理器作為處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄于微處理器中,以軟件程序的方式來(lái)控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環(huán)境影響小,因此比較適合于對可靠性要求不太苛刻的辦公場(chǎng)所。正因為如此,許多廠(chǎng)家的中小功率UPS普遍推出了高頻機。
    在負載對零地電壓的要求方面,工頻機要優(yōu)于高頻機
    大功率三相高頻機零線(xiàn)會(huì )引入整流器并作為正負母線(xiàn)的中性點(diǎn)，這種結構就不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線(xiàn)上，抬升零地電壓，造成負載端零地電壓抬高，很難滿(mǎn)足IBM、HP等服務(wù)器廠(chǎng)家對零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。另外，在市電和發(fā)電機切換時(shí)，高頻機往往因零線(xiàn)缺失而必須轉旁路工作，在特定工況下可能造成負載閃斷的重大故障。工頻機因整流器不需要零線(xiàn)參與工作，在零線(xiàn)斷開(kāi)時(shí)，UPS可以保持正常供電。

    結束語(yǔ)
    從結構上講,工頻機UPS和高頻機UPS的差異主要表現在隔離變壓器上,而工頻機對隔離變壓器的使用,在很大程度上提升了UPS的可靠性。從綜合性能方面來(lái)講,工頻機和高頻機則各有優(yōu)劣,至少在當前,不存在誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。用戶(hù)在選購設備的時(shí)候應當立足于自身的實(shí)際需要,而不是盲目跟從。比如,用戶(hù)要建設中大型的數據中心,那么對可靠性和穩定性的要求就應當放在一位,大功率的工頻機UPS就應當是選;如果是一般的辦公場(chǎng)所應用,或者主要考慮到設備對空間的占用,則可以采用高頻機UPS。

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