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UPS工頻機與高頻機的比較

來源:機房360 作者:周志敏 更新時間:2010-3-23 23:52:42

摘要:世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高頻機為主,這與高頻機負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)有很大關系,特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正,真正代表將來綠色電源的發展趨勢。

  1、高頻機與工頻機的特點
  
  UPS按設計電路工作頻率分為工頻機和高頻機,工頻機和高頻機的結構特點如下。
  
  (1)工頻機:以傳統的模擬電路原理來設計,機器內部電力器件(如變壓器、電感、電容器等)都較大,一般在帶載較大運行時存在較小噪聲,但該機型在惡劣的電網環境條件中耐抗性能較強,可靠性及穩定性均比高頻機強。
  
  (2)高頻機:利用高頻開關技術,高頻機逆變頻率一般在20kHz以上。但高頻機在惡劣的電網及環境條件下耐受能力差,較適用于電網比較穩定及灰塵較少、溫/濕度合適的環境。UPS發展的方向是高頻化、小型化、智能化和綠色化。因為小型化可以節省投資、提高效率、節約空間等。小型化的前提是高頻化,只有高頻化才可實現小型化。小型化的第一個目標就是取消輸入/輸出隔離變壓器。以前由于技術、器件和材料的原因,給UPS加入了輸入/輸出隔離變壓器,使得產品笨重、性能差、耗能大而且價格貴。后來由于新器件的問世,1980年由美國IPM公司首先推出的新方案成功地取消了輸入隔離變壓器,近幾年由于技術的進一步發展和成熟,推出了半橋逆變器變換方案,又成功地取消了輸出隔離變壓器,使UPS的性能又有了很大程度的提高,這就是人們所說的高頻機,它進一步使UPS縮小了體積、改善了性能、減輕了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以國際上的知名公司大都放棄了帶有輸出隔離變壓器UPS的生產。
  
  2、高頻機與工頻機比較
  
  高頻機與工頻機比較而言:尺寸小、重量輕、運行效率高(運行成本低)、噪聲低,適合于辦公場所,性價比高(同等功率下價格低),對空間、環境影響小,相對而言,高頻UPS對復印機、激光打印機和電動機引起的沖擊(SPIKE)和暫態響應(TRANSIENT)易受影響,由于工頻機的變壓器把市電與負載隔離,在市電惡劣的環境下,工頻機比高頻機能提供更安全和可靠的保護,在某些場合如醫療等,要求UPS有隔離裝置,因此,對工業、醫療、交通等應用,工頻機是較好的選擇。兩者的選擇要根據用戶的不同、安裝環境、負載情況等條件權衡考慮。
  
  高頻機不帶隔離變壓器,其輸出中性線存在高頻電流,主要來自市電電網的諧波干擾、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波干擾等,其干擾電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出地電壓低,而且不存在高頻分量,對于計算機網絡的通信安全來講,更加重要。
  
  高頻機輸出沒有變壓器隔離,如果逆變功率器件發生短路,則直流母線(DCBUS)上的高直流電壓直接加到負載上,這是安全隱患,而工頻機則不存在此問題。高頻機與工頻機性能比較的指標見下表:
  
  表1高頻機與工頻機性能比較的指標
參數
高頻UPS
工頻UPS
過載能力
一般
較強
抗輸入浪涌能力
一般
較強
輸出抗沖擊、短路能力
一般
較強
輸入PF
0.99
0.7
整機效率
75%~85%
85%~90%
功率密度
零地電壓
相對較差
相對較好
輸出元器件
功率器件容量
故障時器件損壞程度
可靠性
一般
可維護性
較復雜
簡易
質量
體積
與發電機適應力
較差
較好

  
    
  從以上的比對中可以清晰地看出工頻機在很多方面優于高頻機。對于可靠性要求較高的一些重要、關鍵部位的電源保護方案還應以工頻機為首選。工頻機的特點是簡單,存在的問題是:
  
  1)輸入輸出變壓器尺寸大。
  
  2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大。
  
  3)變壓器和電感產生音頻噪聲。
  
  4)對負載和市電變化的動態響應性能較差。
  
  5)效率低。
  
  6)輸入無功率因數校正,對電網污染較嚴重。
  
  7)成本高,特別對于小容量機型,無法與高頻機相比。
  
  世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高頻機為主,這與高頻機負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)有很大關系,特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正,真正代表將來綠色電源的發展趨勢。
  
  3、電路結構
  
  工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言,工頻機是可控整流,傳統技術最好可做到12相整流;而高頻機的整流是二極管不控整流十IGBT的高頻直流升壓環節。對逆變器而言都是IGBT的SPWM高頻逆變工作方式(除早期的可控硅逆變工作模式UPS,目前已經淘汰)。另外,工頻機的輸出變壓器必不可少,由于其整流逆變等環節均為降壓環節,因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節,其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器),對于需要加裝隔離變壓器的現場,高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件,其作用也由原來的必要配置轉變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化,主要是由于元器件的發展,IGBT作為UPS的主要功率元件技術更加成熟,無論從容量、結構,還是可靠性上都大大地提高了,加之UPS數字化程度不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機轉向高頻機(正如當年晶閘管逆變器被大功率晶體管GTR取代,之后又被IGBT逆變器取一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小,質量的減小,而更重要的是電氣性能的提高。
  
  早期大中型UPS主回路結構采用晶閘管整流將輸人的交流電整為直流,蓄電池直接配置在直流母線上,當輸入市電正常時,靠整流晶閘管的調節對蓄電池充電,同時為GTR或ICBT結構的橋式逆變器供電,逆變器將直流逆變為交流,最后經過輸出變壓器的升壓及濾沒提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出,從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中,每個環節都是降壓環節,在此種結構的UPS中,必須在輸出側加入升壓變壓器,將逆變輸出的較低恒定電壓升至合理的輸出范圍,最終提供了恒定的220V/380V輸出。
  
  目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節,將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后,采用IGBT元件組成的DC/DC電路升壓到一個較高的恒定直流電壓,并將其作為直流母線,為蓄電池充電電路及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高經過IGBT高頻逆變調整后,可直接得到恒定的逆變輸出電壓,完全可以省掉輸出升壓變壓器。
  
  在上述的兩種UPS結構中,后者在所有功率環節均采用了IGBT技術,因此此種結構的UPS又為全IGBTUPS。由于數字技術的引入,大大提高了IGBT元件的開關頻率,與前者相比,在很多方面具有顯著的優勢。
  
  1)晶閘管整流的最大缺點就是對電網的干擾問題,由于輸入斬波產生的回饋污染,通常只能采用附加的輸入功率因數補償環節,如有源濾波器等。不但增加了UPS的成本,同時效果也不理想,無形中又增加了一個故障點。而新型的全IGBT整流可輕易地將功率因數提高到接近1。從根本上解決了對電網干擾的問題。
  
  2)由于從前的UPS采用GTR作為逆變輸出功率元件,因此其開關特性較差,即使采用了IGBT元件,由于控制上沒有相應的改善,其開關頻率也較低,因此輸出波形不很平滑或需要變壓器等大電感元件平波。而目前數字化控制的UPS,逆變輸出的開關頻率非常高,因此輸出波形平滑,無須較大的電感元件,更可省掉變壓器。
  
  3)在充電環節上,全IGBTUPS具有更明顯的優勢。早期UPS采用蓄電池直接配置直流母線的方法,蓄電池的充電電壓只能通過晶閘管整流控制,只能做到恒壓限流的傳統充電方式,而且充電參數幾乎不可改變。實際上,UPS蓄電池的配置是靈活多樣的,對不同容量的蓄電池采取同樣的充電參數顯然會對蓄電池延壽不利。而采用全IGBT技術的UPS,在直流母線上引出的直流電經過IGBT斬波控制,可實現對蓄電池的精確充電,并可通過數字化控制細化參數設置,做到為每種配置的蓄電池指定最適合的充電方案,達到延長蓄電池使用壽命的目的。
  
  4)變壓器在全IGBTUPS中,作為可選配置器件。其功能也主要是適應現場特殊電力狀況,例如現場輸入電為三相△型輸入時,采用輸入△/Y變壓器可使UPS在△型輸人的現場得以應用。再如現場要求UPS必須為單相輸出,且功率數較高時(一般容量大于20kVA時,UPS很少有單相輸出的標準形式,都采用三相輸出形式),可采用輸出的三相/單相變壓器,提供供電形式轉換,滿足用電要求。還有一些用電場合要求輸入與輸出的電氣全隔離,可在UPS輸出側配置隔離變壓器,可有效抑制共模噪聲。但需要注意的是,采用晶閘管整流的UPS雖然標準配置具有變壓器,但其隔離效果不一定完善,主要是隔離變壓器的位置應加在UPS旁路輸出與逆變輸出的公共輸出側才可完全做到輸入與輸出的電氣隔離,而晶閘管整流UPS的輸出升壓變壓器只是提升逆變輸出的電壓,而對旁路輸出不起作用(除非具有雙隔離變壓器將逆變輸出與旁路輸入同UPS輸出隔離開來)。

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