大功率UPS工頻機(jī)與高頻機(jī)孰優(yōu)孰劣

用戶在購(gòu)買大功率UPS的時(shí)候，常常面臨在工頻機(jī)和高頻機(jī)之間進(jìn)行選擇的困惑。就UPS廠商方面而言，當(dāng)然都認(rèn)為是自己的好，“公說(shuō)公有理,婆說(shuō)婆有理”。提供工頻機(jī)的廠商說(shuō)工頻機(jī)穩(wěn)定性和可靠性高，提供高頻機(jī)的廠商會(huì)說(shuō)高頻機(jī)節(jié)省空間，成本相對(duì)較低等諸如此類的說(shuō)法。其實(shí)，工頻機(jī)和高頻機(jī)到底孰優(yōu)孰劣，很難一概而論，可以說(shuō)各有利弊。用戶應(yīng)當(dāng)在全面認(rèn)識(shí)這兩種UPS機(jī)型的基礎(chǔ)上，客觀審視自身的應(yīng)用和需求，選擇適合自己需要的產(chǎn)品。

1 工頻機(jī)和高頻機(jī)的原理分析

工頻機(jī)和高頻機(jī)是按UPS的設(shè)計(jì)電路工作頻率來(lái)區(qū)分的。工頻機(jī)是以傳統(tǒng)的模擬電路原理設(shè)計(jì)，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(jī)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)控制加在門極的驅(qū)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(dá)上百千赫,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工頻機(jī)，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(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(dǎo)通角來(lái)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(kāi)通點(diǎn)，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門極驅(qū)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(biāo)配電池節(jié)數(shù)需要67節(jié)，這樣給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的限制。因此一般高頻UPS會(huì)單獨(dú)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的母線電壓。由于高頻機(jī)母線電壓為800V左右，所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)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(jī)與高頻機(jī)在結(jié)構(gòu)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(yīng)原理，對(duì)配電或信號(hào)進(jìn)行電氣隔離的裝置。隔離變壓器在UPS中通常被設(shè)計(jì)在逆變器的輸出端，可以起到增加UPS性能改善負(fù)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)：

2.1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，從而達(dá)到降低零地電壓的目的。事實(shí)上，HP、IBM、SUN的小型機(jī)因?yàn)橐ＷC精密的計(jì)算能力與高可靠的數(shù)據(jù)處理傳輸能力，都會(huì)對(duì)零地電壓有極高的要求，加裝隔離變壓器可以徹底解決因?yàn)榱愕仉妷浩咚斐傻囊恍﹩?wèn)題。

2.2 濾除負(fù)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(fù)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(shè)備的電磁兼容性。

2.3 增強(qiáng)過(guò)載短路保護(hù)能力，保護(hù)負(fù)載與UPS主機(jī)

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(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(shì)，延緩短路電流對(duì)負(fù)載以及逆變器的沖擊破壞，具有保護(hù)負(fù)載與UPS主機(jī)的作用。

2.4 “通交流阻直流”，UPS故障時(shí)保護(hù)負(fù)載

高額UPS的AC/DC變換部分采用高頻化設(shè)計(jì)，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(wú)輸出隔離變壓器，一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路，BUS母線直流高電壓將加到負(fù)載上，危及負(fù)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(wèn)題，在UPS發(fā)生故障時(shí)能夠使負(fù)載安全運(yùn)行。3 工頻機(jī)和高頻機(jī)的性能對(duì)比

3.1 在可靠性方面，工頻機(jī)要優(yōu)于高頻機(jī)

工頻機(jī)采用晶閘管(SCR)整流器，該技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)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(qiáng)。由于SCR屬于半控器件，不會(huì)出現(xiàn)直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言，高頻機(jī)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(yán)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