1 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區(qū)分的。工頻機是以傳統(tǒng)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可以通過控制加在門極的驅動來控制其開通與關斷,IGBT整流器開關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,因此稱為高頻UPS。

在工頻UPS電路中,主路三相交流輸入經(jīng)過換相電感,接到三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓,通過控制整流橋SCR的導通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統(tǒng)只能控制開通點,一旦SCR導通之后,即使門極驅動撤消,也無法關斷,只有等到其電流為零之后才能自然關斷,所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期,不存在高頻的開通和關斷控制。由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線電壓經(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,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線,所需要的標配電池節(jié)數(shù)需要67節(jié),這樣給實際應用帶來極大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池電壓變換器,市電正常的時候電池變換器把800V的母線電壓降到電池組電壓;市電故障或超限時,電池變換器把電池組電壓升高到800V的母線電壓。由于高頻機母線電壓為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,有無隔離變壓器是工頻機與高頻機在結構上的主要區(qū)別。

2 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:

2.1 降低零地電壓,優(yōu)化UPS末端供電網(wǎng)絡

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,中性點接地后產(chǎn)生新的零線,從而達到降低零地電壓的目的。事實上,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(shù)據(jù)處理傳輸能力,都會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題。

2.2 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,減少高頻干擾,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干擾,提高設備的電磁兼容性。

2.3 增強過載短路保護能力,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(wěn)定的器件。UPS在正常工作過程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會產(chǎn)生反向電動勢,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。

2.4 “通交流阻直流”,UPS故障時保護負載

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(shù)(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。由于無輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路,BUS母線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，可以解決此類問題，在UPS發(fā)生故障時能夠使負載安全運行。

3 工頻機和高頻機的性能對比

(1)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,該技術經(jīng)過半個多世紀的發(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,不會出現(xiàn)直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言,高頻機采用的IGBT高頻整流器雖然開關頻率較高,但是IGBT工作時有嚴格的電壓、電流工作區(qū)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。

(2)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所。正因為如此,許多廠家的中小功率UPS普遍推出了高頻機。

(3)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會引入整流器并作為正負母線的中性點，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上，抬升零地電壓，造成負載端零地電壓抬高，很難滿足IBM、HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。另外，在市電和發(fā)電機切換時，高頻機往往因零線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參與工作，在零線斷開時，UPS可以保持正常供電。

4 結束語

從結構上講,工頻機UPS和高頻機UPS的差異主要表現(xiàn)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。從綜合性能方面來講,工頻機和高頻機則各有優(yōu)劣,至少在當前,不存在誰取代誰的問題。用戶在選購設備的時候應當立足于自身的實際需要,而不是盲目跟從。比如,用戶要建設中大型的數(shù)據(jù)中心,那么對可靠性和穩(wěn)定性的要求就應當放在第一位,大功率的工頻機UPS就應當是首選;如果是一般的辦公場所應用,或者主要考慮到設備對空間的占用,則可以采用高頻機UPS。