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UPS工频机与高频机的比较

来源:机房360 作者:周志敏 更新时间:2010-3-23 23:52:42

摘要:世界知名UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为绝对主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高频机为主,这与高频机负载动态响应速度快,能量密度高,体积小,噪声小,价格低(特别是小机)有很大关系,特别是高频机可以做到输入有源功率因数校正,真正代表将来绿色电源的发展趋势。

  1、高频机与工频机的特点
  
  UPS按设计电路工作频率分为工频机和高频机,工频机和高频机的结构特点如下。
  
  (1)工频机:以传统的模拟电路原理来设计,机器内部电力器件(如变压器、电感、电容器等)都较大,一般在带载较大运行时存在较小噪声,但该机型在恶劣的电网环境条件中耐抗性能较强,可靠性及稳定性均比高频机强。
  
  (2)高频机:利用高频开关技术,高频机逆变频率一般在20kHz以上。但高频机在恶劣的电网及环境条件下耐受能力差,较适用于电网比较稳定及灰尘较少、温/湿度合适的环境。UPS发展的方向是高频化、小型化、智能化和绿色化。因为小型化可以节省投资、提高效率、节约空间等。小型化的前提是高频化,只有高频化才可实现小型化。小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。以前由于技术、器件和材料的原因,给UPS加入了输入/输出隔离变压器,使得产品笨重、性能差、耗能大而且价格贵。后来由于新器件的问世,1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器,近几年由于技术的进一步发展和成熟,推出了半桥逆变器变换方案,又成功地取消了输出隔离变压器,使UPS的性能又有了很大程度的提高,这就是人们所说的高频机,它进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以国际上的知名公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产。
  
  2、高频机与工频机比较
  
  高频机与工频机比较而言:尺寸小、重量轻、运行效率高(运行成本低)、噪声低,适合于办公场所,性价比高(同等功率下价格低),对空间、环境影响小,相对而言,高频UPS对复印机、激光打印机和电动机引起的冲击(SPIKE)和暂态响应(TRANSIENT)易受影响,由于工频机的变压器把市电与负载隔离,在市电恶劣的环境下,工频机比高频机能提供更安全和可靠的保护,在某些场合如医疗等,要求UPS有隔离装置,因此,对工业、医疗、交通等应用,工频机是较好的选择。两者的选择要根据用户的不同、安装环境、负载情况等条件权衡考虑。
  
  高频机不带隔离变压器,其输出中性线存在高频电流,主要来自市电电网的谐波干扰、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波干扰等,其干扰电压不仅数值高而且难以消除。而工频机的输出地电压低,而且不存在高频分量,对于计算机网络的通信安全来讲,更加重要。
  
  高频机输出没有变压器隔离,如果逆变功率器件发生短路,则直流母线(DCBUS)上的高直流电压直接加到负载上,这是安全隐患,而工频机则不存在此问题。高频机与工频机性能比较的指标见下表:
  
  表1高频机与工频机性能比较的指标
参数
高频UPS
工频UPS
过载能力
一般
较强
抗输入浪涌能力
一般
较强
输出抗冲击、短路能力
一般
较强
输入PF
0.99
0.7
整机效率
75%~85%
85%~90%
功率密度
零地电压
相对较差
相对较好
输出元器件
功率器件容量
故障时器件损坏程度
可靠性
一般
可维护性
较复杂
简易
质量
体积
与发电机适应力
较差
较好

  
    
  从以上的比对中可以清晰地看出工频机在很多方面优于高频机。对于可靠性要求较高的一些重要、关键部位的电源保护方案还应以工频机为首选。工频机的特点是简单,存在的问题是:
  
  1)输入输出变压器尺寸大。
  
  2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大。
  
  3)变压器和电感产生音频噪声。
  
  4)对负载和市电变化的动态响应性能较差。
  
  5)效率低。
  
  6)输入无功率因数校正,对电网污染较严重。
  
  7)成本高,特别对于小容量机型,无法与高频机相比。
  
  世界知名UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为绝对主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高频机为主,这与高频机负载动态响应速度快,能量密度高,体积小,噪声小,价格低(特别是小机)有很大关系,特别是高频机可以做到输入有源功率因数校正,真正代表将来绿色电源的发展趋势。
  
  3、电路结构
  
  工频机与高频机的概念主要是对整流部分而言,工频机是可控整流,传统技术最好可做到12相整流;而高频机的整流是二极管不控整流十IGBT的高频直流升压环节。对逆变器而言都是IGBT的SPWM高频逆变工作方式(除早期的可控硅逆变工作模式UPS,目前已经淘汰)。另外,工频机的输出变压器必不可少,由于其整流逆变等环节均为降压环节,因此在输出侧必须有升压变压器作为电压的调整。而高频机由于具有DC/DC升压环节,其输出侧不必要加升压环节(升压变压器),对于需要加装隔离变压器的现场,高频机也可按照要求加装隔离变压器选件,其作用也由原来的必要配置转变为可选配置。UPS的电气结构所以发生了更新变化,主要是由于元器件的发展,IGBT作为UPS的主要功率元件技术更加成熟,无论从容量、结构,还是可靠性上都大大地提高了,加之UPS数字化程度不断深入促成了新一代大中型UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机(正如当年晶闸管逆变器被大功率晶体管GTR取代,之后又被IGBT逆变器取一样)。UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小,质量的减小,而更重要的是电气性能的提高。
  
  早期大中型UPS主回路结构采用晶闸管整流将输人的交流电整为直流,蓄电池直接配置在直流母线上,当输入市电正常时,靠整流晶闸管的调节对蓄电池充电,同时为GTR或ICBT结构的桥式逆变器供电,逆变器将直流逆变为交流,最后经过输出变压器的升压及滤没提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出,从整流(从交流变为直流)到逆变(在从直流变为交流)的过程中,每个环节都是降压环节,在此种结构的UPS中,必须在输出侧加入升压变压器,将逆变输出的较低恒定电压升至合理的输出范围,最终提供了恒定的220V/380V输出。
  
  目前较为先进的UPS主回路结构采用不控整流加升压环节,将交流输入通过整流桥全波整流为直流后,采用IGBT元件组成的DC/DC电路升压到一个较高的恒定直流电压,并将其作为直流母线,为蓄电池充电电路及逆变输出部分提供电能。由于直流母线电压足够高经过IGBT高频逆变调整后,可直接得到恒定的逆变输出电压,完全可以省掉输出升压变压器。
  
  在上述的两种UPS结构中,后者在所有功率环节均采用了IGBT技术,因此此种结构的UPS又为全IGBTUPS。由于数字技术的引入,大大提高了IGBT元件的开关频率,与前者相比,在很多方面具有显著的优势。
  
  1)晶闸管整流的最大缺点就是对电网的干扰问题,由于输入斩波产生的回馈污染,通常只能采用附加的输入功率因数补偿环节,如有源滤波器等。不但增加了UPS的成本,同时效果也不理想,无形中又增加了一个故障点。而新型的全IGBT整流可轻易地将功率因数提高到接近1。从根本上解决了对电网干扰的问题。
  
  2)由于从前的UPS采用GTR作为逆变输出功率元件,因此其开关特性较差,即使采用了IGBT元件,由于控制上没有相应的改善,其开关频率也较低,因此输出波形不很平滑或需要变压器等大电感元件平波。而目前数字化控制的UPS,逆变输出的开关频率非常高,因此输出波形平滑,无须较大的电感元件,更可省掉变压器。
  
  3)在充电环节上,全IGBTUPS具有更明显的优势。早期UPS采用蓄电池直接配置直流母线的方法,蓄电池的充电电压只能通过晶闸管整流控制,只能做到恒压限流的传统充电方式,而且充电参数几乎不可改变。实际上,UPS蓄电池的配置是灵活多样的,对不同容量的蓄电池采取同样的充电参数显然会对蓄电池延寿不利。而采用全IGBT技术的UPS,在直流母线上引出的直流电经过IGBT斩波控制,可实现对蓄电池的精确充电,并可通过数字化控制细化参数设置,做到为每种配置的蓄电池指定最适合的充电方案,达到延长蓄电池使用寿命的目的。
  
  4)变压器在全IGBTUPS中,作为可选配置器件。其功能也主要是适应现场特殊电力状况,例如现场输入电为三相△型输入时,采用输入△/Y变压器可使UPS在△型输人的现场得以应用。再如现场要求UPS必须为单相输出,且功率数较高时(一般容量大于20kVA时,UPS很少有单相输出的标准形式,都采用三相输出形式),可采用输出的三相/单相变压器,提供供电形式转换,满足用电要求。还有一些用电场合要求输入与输出的电气全隔离,可在UPS输出侧配置隔离变压器,可有效抑制共模噪声。但需要注意的是,采用晶闸管整流的UPS虽然标准配置具有变压器,但其隔离效果不一定完善,主要是隔离变压器的位置应加在UPS旁路输出与逆变输出的公共输出侧才可完全做到输入与输出的电气隔离,而晶闸管整流UPS的输出升压变压器只是提升逆变输出的电压,而对旁路输出不起作用(除非具有双隔离变压器将逆变输出与旁路输入同UPS输出隔离开来)。

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