全面審視大功率UPS工頻機(jī)與高頻機(jī)

用戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)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(chǎng)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(chǎng)商說(shuō)工頻機(jī)穩(wěn)定性和可靠性高;提供高頻機(jī)的廠(chǎng)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(lèi)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(hù)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(guān)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(mén)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(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(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(mén)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(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(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(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(jī)母線(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)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(lèi)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

(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SCR整流器低。

(2)在環(huán)境適應(yīng)性方面,高頻機(jī)要優(yōu)于工頻機(jī)

高頻機(jī)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(yùn)行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對(duì)空間、環(huán)境影響小,因此比較適合于對(duì)可靠性要求不太苛刻的辦公場(chǎng)所。正因?yàn)槿绱?許多廠(chǎng)家的中小功率UPS普遍推出了高頻機(jī)。

(3)在負(fù)載對(duì)零地電壓的要求方面,工頻機(jī)要優(yōu)于高頻機(jī)

大功率三相高頻機(jī)零線(xiàn)會(huì)引入整流器并作為正負(fù)母線(xiàn)的中性點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)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(fù)載端零地電壓抬高，很難滿(mǎn)足IBM、HP等服務(wù)器廠(chǎng)家對(duì)零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。另外，在市電和發(fā)電機(jī)切換時(shí)，高頻機(jī)往往因零線(xiàn)缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作，在特定工況下可能造成負(fù)載閃斷的重大故障。工頻機(jī)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。

4 結(jié)束語(yǔ)

從結(jié)構(gòu)上講,工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS的差異主要表現(xiàn)在隔離變壓器上,而工頻機(jī)對(duì)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(jī)和高頻機(jī)則各有優(yōu)劣,至少在當(dāng)前,不存在誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。用戶(hù)在選購(gòu)設(shè)備的時(shí)候應(yīng)當(dāng)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(shè)中大型的數(shù)據(jù)中心,那么對(duì)可靠性和穩(wěn)定性的要求就應(yīng)當(dāng)放在第一位,大功率的工頻機(jī)UPS就應(yīng)當(dāng)是首選;如果是一般的辦公場(chǎng)所應(yīng)用,或者主要考慮到設(shè)備對(duì)空間的占用,則可以采用高頻機(jī)UPS。