全面审视大功率UPS工频机与高频机

用户在购买大功率UPS的时候,常常面临在工频机和高频机之间进行选择的困惑。就UPS厂商方面而言,当然都认为是自己的好,“公说公有理,婆说婆有理”。提供工频机的厂商说工频机稳定性和可靠性高;提供高频机的厂商会说高频机节省空间,成本相对较低等诸如此类的说法。其实,工频机和高频机到底孰优孰劣,很难一概而论,可以说各有利弊。用户应当在全面认识这两种UPS机型的基础上,客观审视自身的应用和需求,选择适合自己需要的产品。

1 工频机和高频机的原理分析

工频机和高频机是按UPS的设计电路工作频率来区分的。工频机是以传统的模拟电路原理设计,由晶闸管(SCR)整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几千赫到几十千赫,甚至高达上百千赫,远远高于工频机,因此称为高频UPS。

在工频UPS电路中,主路三相交流输入经过换相电感,接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压,通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件,控制系统只能控制开通点,一旦SCR导通之后,即使门极驱动撤消,也无法关断,只有等到其电流为零之后才能自然关断,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,不存在高频的开通和关断控制。由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入交流电压低,要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。

相比而言,高频UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为800V左右,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数需要67节,这样给实际应用带来极大的限制。因此一般高频UPS会单独配置一个电池电压变换器,市电正常的时候电池变换器把800V的母线电压降到电池组电压;市电故障或超限时,电池变换器把电池组电压升高到800V的母线电压。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。因此,有无隔离变压器是工频机与高频机在结构上的主要区别。

2 UPS输出隔离变压器的作用

隔离变压器是利用电磁感应原理,对配电或信号进行电气隔离的装置。隔离变压器在UPS中通常被设计在逆变器的输出端,可以起到增加UPS性能改善负载端供电质量的作用。通常,UPS的输出隔离变压器有以下四大优点:

2.1 降低零地电压,优化UPS末端供电网络

UPS的逆变输出安装隔离变压器可以隔离输入和输出之间的电气连接,从而有效地降低输出的零地电压。由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法,中性点接地后产生新的零线,从而达到降低零地电压的目的。事实上,HP、IBM、SUN的小型机因为要保证精密的计算能力与高可靠的数据处理传输能力,都会对零地电压有极高的要求,加装隔离变压器可以彻底解决因为零地电压偏高所造成的一些问题。

2.2 滤除负载端谐波,提高供电质量

隔离变压器本身具有电感特性,输出隔离变压器可以滤除负载端的大量低次谐波,减少高频干扰,并可以使高次谐波大幅度衰减。采用电源隔离变压器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰,提高设备的电磁兼容性。

2.3 增强过载短路保护能力,保护负载与UPS主机

由于其自身的特性,隔离变压器是UPS中工作最为稳定的器件。UPS在正常工作过程中,如果遇到大的短路电流,变压器会产生反向电动势,延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏,具有保护负载与UPS主机的作用。

2.4 “通交流阻直流”,UPS故障时保护负载

高额UPS的AC/DC变换部分采用高频化设计,提高了UPS的输入功率因数(0.98以上)及输入电压范围,DC/AC逆变部分高频化减少了输出滤波电感的体积,功率密度大。由于无输出隔离变压器,一旦逆变器桥臂的IGBT被击穿短路,BUS母线直流高电压将加到负载上，危及负载的安全。输出隔离变压器具有“通交流阻直流”的能力，可以解决此类问题，在UPS发生故障时能够使负载安全运行。

3 工频机和高频机的性能对比

(1)在可靠性方面,工频机要优于高频机

工频机采用晶闸管(SCR)整流器,该技术经过半个多世纪的发展和革新,已经非常成熟,其抗电流冲击能力非常强。由于SCR属于半控器件,不会出现直通、误触发等故障。相比而言,高频机采用的IGBT高频整流器虽然开关频率较高,但是IGBT工作时有严格的电压、电流工作区域,抗冲击能力较低。因此在总体可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。

(2)在环境适应性方面,高频机要优于工频机

高频机是以微处理器作为处理控制中心,将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中,以软件程序的方式来控制UPS的运行。因此,体积、重量等方面都有明显的降低,噪音也较小,对空间、环境影响小,因此比较适合于对可靠性要求不太苛刻的办公场所。正因为如此,许多厂家的中小功率UPS普遍推出了高频机。

(3)在负载对零地电压的要求方面,工频机要优于高频机

大功率三相高频机零线会引入整流器并作为正负母线的中性点，这种结构就不可避免地造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成负载端零地电压抬高，很难满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。另外，在市电和发电机切换时，高频机往往因零线缺失而必须转旁路工作，在特定工况下可能造成负载闪断的重大故障。工频机因整流器不需要零线参与工作，在零线断开时，UPS可以保持正常供电。

4 结束语

从结构上讲,工频机UPS和高频机UPS的差异主要表现在隔离变压器上,而工频机对隔离变压器的使用,在很大程度上提升了UPS的可靠性。从综合性能方面来讲,工频机和高频机则各有优劣,至少在当前,不存在谁取代谁的问题。用户在选购设备的时候应当立足于自身的实际需要,而不是盲目跟从。比如,用户要建设中大型的数据中心,那么对可靠性和稳定性的要求就应当放在第一位,大功率的工频机UPS就应当是首选;如果是一般的办公场所应用,或者主要考虑到设备对空间的占用,则可以采用高频机UPS。