UPS行業(yè)工頻與高頻區(qū)別

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第二級(jí)第三級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第四級(jí)第五級(jí)第五級(jí)廈門科華恒盛股份有限公司 UPSUPS工頻與高頻區(qū)別工頻與高頻區(qū)別科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家 多年的運(yùn)行實(shí)踐表明：“高頻機(jī)”型UPS的故障率總是高于“工頻機(jī)”型UPS的故障率。為此，我們有必要探討其真正的原因何在？科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家 對(duì)于工頻機(jī)型UPS而言，它采用的是可控硅整流器和IGBT逆變器+內(nèi)置隔離變壓器的設(shè)計(jì)方案，它通過(guò)可控硅型的整流

2、濾波器將輸入的380Vac交流電源變換成400Vdc的直流高壓，并在此基礎(chǔ)上，再經(jīng)由IGBT逆變器+輸出隔離變壓器所組成的調(diào)控電路，向外輸出220Vac逆變器電源，在這里，輸入電源的N線是與UPS中的整流器和逆變器的控制電路處于完全的“電隔離”狀態(tài)。這就意味著：在這種工頻機(jī)型UPS的運(yùn)行中，產(chǎn)生于UPS內(nèi)部的任何脈寬調(diào)制型的干擾均不會(huì)串入到UPS供電系統(tǒng)的N線上。與此同時(shí)，可能來(lái)自于供電系統(tǒng)的N線上任何干擾也不會(huì)影響UPS的正常運(yùn)行。一、工頻型UPS工作模式科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、工頻型UPS和高頻型UPS工作模式圖一，工頻機(jī)與高頻機(jī)器工作原理圖一，工頻機(jī)與高頻

3、機(jī)器工作原理科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家v圖1中顯示的是“工頻機(jī)”型UPS和“高頻機(jī)”型UPS的控制框圖。v要特別說(shuō)明的是UPS近幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，不僅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且?guī)?nèi)置隔離變壓器的工頻型UPS，還顯示出它具有抗高頻干擾能力強(qiáng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)、能有效降低零地電壓、高可靠性的明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于它的輸入電諧波含量的THDI值偏大的弱點(diǎn)，我們可以通過(guò)采用如圖2a所示的12脈沖整流圖1高頻機(jī)與工頻機(jī)“領(lǐng)地電壓”的對(duì)比技術(shù)的方法予以克服，從而使UPS輸入電流的諧波含量THDI0.99，輸入電流的諧波含量的THDI8ms以上的“供電中斷”)，從而導(dǎo)致在數(shù)據(jù)中心機(jī)

4、房中出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘到幾小時(shí)的”癱瘓”事故。科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 1、如前所述，為了使這種UPS所輸出的正弦波形的交流電源的正半波和負(fù)半波的幅值相等，必須要將它輸入電源的N線同位于UPS整流器中的400Vdc直流高壓的“參考零電位”點(diǎn)相連。這樣一來(lái)，在UPS的運(yùn)行中，一旦遇到輸入電源N線上出現(xiàn)瞬態(tài)的、單極性的直流偏置電壓時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致輸送到逆變器輸入端上，原本是正極性和負(fù)極性幅值相等的對(duì)稱的直流電源“瞬間”變成正極性和負(fù)極性幅值不相等的不對(duì)稱的直流電源。此時(shí)，如果在

5、它的直流母線上所產(chǎn)生的這種“直流偏置量”過(guò)大的話，對(duì)逆變器來(lái)講意味著它就會(huì)進(jìn)入“瞬間DC過(guò)壓”和“瞬間DC欠壓”的故障工作狀態(tài)。在此條件下，極易導(dǎo)致UPS產(chǎn)生輸出“閃斷”故障，并能導(dǎo)致在N線上產(chǎn)生這種“瞬態(tài)直流偏置”故障的原因之一：當(dāng)因故對(duì)大功率的變壓器執(zhí)行“合閘”操作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幅值高達(dá)56倍的單極性的勵(lì)磁浪涌流(見(jiàn)圖2)。科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 2、如前所述，為了使這種UPS所輸出的正弦波形的交流電源的正半波和負(fù)半波的幅值相等，必須要將它輸入電源的N線同位于UPS整流器中的400Vdc直流高壓的“參考零電位”點(diǎn)相連。這樣一來(lái)，在UPS的

6、運(yùn)行中，一旦遇到輸入電源N線上出現(xiàn)瞬態(tài)的、單極性的直流偏置電壓時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致輸送到逆變器輸入端上，原本是正極性和負(fù)極性幅值相等的對(duì)稱的直流電源“瞬間”變成正極性和負(fù)極性幅值不相等的不對(duì)稱的直流電源。此時(shí)，如果在它的直流母線上所產(chǎn)生的這種“直流偏置量”過(guò)大的話，對(duì)逆變器來(lái)講意味著它就會(huì)進(jìn)入“瞬間DC過(guò)壓”和“瞬間DC欠壓”的故障工作狀態(tài)。在此條件下，極易導(dǎo)致UPS產(chǎn)生輸出“閃斷”故障，并能導(dǎo)致在N線上產(chǎn)生這種“瞬態(tài)直流偏置”故障的原因之一：當(dāng)因故對(duì)大功率的變壓器執(zhí)行“合閘”操作時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幅值高達(dá)56倍的單極性的勵(lì)磁浪涌流(見(jiàn)圖2)。科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型U

7、PS潛在隱患 3、“零地電壓”偏高： 來(lái)自脈寬調(diào)制IGBT整流器和脈寬調(diào)制IGBT逆變器的高頻PWM型的干擾電壓將會(huì)以幅值較高的“零地電壓”的形式，通過(guò)N線被直接和同時(shí)地“反饋”到UPS輸入供電系統(tǒng)和輸出供電系統(tǒng)中的N線上，從而危害數(shù)據(jù)中心機(jī)房以及其它用電設(shè)備的安全運(yùn)行。這種“零地電壓”型干擾源的典型運(yùn)行參數(shù)值為，幅值為1.8V5V左右的10KHz16KHz的高頻電壓。通過(guò)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的運(yùn)行表明：為確保IT設(shè)備的安全運(yùn)行，供電系統(tǒng)的“零地電壓”應(yīng)該小于1.5V?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 4、電池供電時(shí)，高頻機(jī)型UPS的效率偏低： 圖2各種UP

8、S的輸出電源的零線對(duì)地線電壓的對(duì)比 如圖2b所示，當(dāng)高頻型的IGBT整流器因故進(jìn)入自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)(例如：輸入電源停電、整流器出故障)，工作電壓較低的電池組需經(jīng)DC變換器進(jìn)行升壓處理后，變換成逆變器所需的400Vdc直流高壓，為此會(huì)導(dǎo)致UPS的運(yùn)行效率下降2%左右?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 5、采用”外置隔離變壓器”設(shè)計(jì)方案的故障隱患： 為了解決高頻機(jī)型UPS的“零地電壓”偏高的問(wèn)題，可供選擇的技術(shù)途徑之一是：在UPS供電系統(tǒng)的輸出端配置“外置隔離變壓器”。如圖3所示，我們的確可以利用該“外置隔離變壓器”來(lái)向位于機(jī)房中的IT設(shè)備提供完全滿足IT設(shè)

9、備技術(shù)需求的高品質(zhì)電源。然而，對(duì)于這樣的供電系統(tǒng)而言，它仍然存在如下的兩種故障隱患： (1)UPS輸入電源供電系統(tǒng)的“零地電壓”仍然偏高，如圖3所示，來(lái)自高頻機(jī)型UPS“零地電壓”型的共模干擾，仍然被饋送到位于UPS輸入側(cè)的其它用電設(shè)備的輸入端上，繼續(xù)危害這些用電設(shè)備的安全運(yùn)行。這是因?yàn)?，這種“零地電壓”型的共模干擾，已經(jīng)“污染”了UPS輸入上游側(cè)的全部輸入電源的緣故?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 “高頻機(jī)”型UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)+外置輸出隔離變壓器的UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱

10、患 (2)存在燒毀IT設(shè)備的故障隱患： 對(duì)于采用高頻機(jī)型UPS+外置隔離變壓器設(shè)計(jì)方案的用戶來(lái)說(shuō)，在他們UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行中，一旦因故出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障(供電中斷時(shí)間8ms以上)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)如下的事故現(xiàn)象： (a)當(dāng)在“外置隔離變壓器”的輸入端上出現(xiàn)斷電故障時(shí)，必然會(huì)在它的輸出端產(chǎn)生幅值很高的“反激型的瞬態(tài)尖峰高壓”。這種瞬態(tài)高壓的幅值足以燒毀IT設(shè)備。這樣慘痛的事故和案例，已在多處數(shù)據(jù)中心機(jī)房中出現(xiàn)過(guò)?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患(b)當(dāng)在“外置隔離變壓器”的輸入端上，突然恢復(fù)供電時(shí)，就會(huì)在UPS的輸出端(變壓器的輸入端)上，產(chǎn)生56

11、倍于它的額定工作電流的勵(lì)磁浪涌電流，從而對(duì)UPS供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大的威脅。例如：對(duì)于采用由400KVA“4+0”型UPS并機(jī)系統(tǒng)+1600KVA“外置隔離變壓器”設(shè)計(jì)方案的UPS供電系統(tǒng)而言，此時(shí)在UPS并機(jī)系統(tǒng)的輸出端所可能產(chǎn)生的勵(lì)磁浪涌電流的幅值高達(dá)13500A左右，從而導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入“嚴(yán)重過(guò)載”狀態(tài)。由此所帶來(lái)的惡果是，UPS并機(jī)系統(tǒng)的輸出電壓急劇下降，并轉(zhuǎn)入由普通市電供電的交流旁路工作狀態(tài)。與此相反，對(duì)于選用帶“內(nèi)置隔離變壓器”UPS的用戶而言，則可完全KEYI消除掉這種故障隱患。所以，從某種意義上講，由于他們能為IT設(shè)備的安全運(yùn)行創(chuàng)造出優(yōu)良的運(yùn)行環(huán)境，從而可以極大地提高其數(shù)

12、據(jù)中心機(jī)房的可維護(hù)性，并能避免在今后工作中遇到種種不必要的麻煩。基本上述原因，我認(rèn)為，對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù)中心的UPS供電系統(tǒng)而言，宜優(yōu)選帶輸出隔離變壓器的UPS產(chǎn)品?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 6、帶隔離變壓器的UPS具有更優(yōu)異的抗”沖擊性”負(fù)載的能力： 凡是熟悉UPS常用負(fù)載的用戶都知道，由于電力電子學(xué)的迅猛發(fā)展，它所帶的絕大多數(shù)都是整流濾波型非線性負(fù)載。當(dāng)UPS后接負(fù)載為不帶輸入功率因數(shù)校正功能(PFC)的PC電腦或DCS型的工控設(shè)備時(shí)(圖4)，UPS輸出端的負(fù)載電流為峰值比(CF)高達(dá)3.3：1的沖擊性電流。在此條件下，將導(dǎo)致在UPS輸出電流中

13、出現(xiàn)大量的諧波電流，它的電流諧波含量THDI值高處73.5%，其最大的電流諧波分量為3次電流諧波分量。此時(shí)的3次電流諧波分量的THDI值=53.2%。對(duì)于這樣的負(fù)載而言，從UPS所輸出的正弦波形的電壓波，在大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)，它的負(fù)載電流均為零?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 6、帶隔離變壓器的UPS具有更優(yōu)異的抗”沖擊性”負(fù)載的能力： 這就意味著：在此期間內(nèi)，從UPS所輸出的能源并未被利用，僅在非?？拷倚坞妷翰ǖ姆逯堤幍膸缀撩雰?nèi)，UPS才真正在向負(fù)載提供能量。這樣一來(lái)，如果我們直接利用高頻機(jī)型的UPS來(lái)帶這種負(fù)載時(shí)，對(duì)于有效值僅為6.06A的非線

14、性負(fù)載而言，需要為高頻機(jī)型UPS逆變器的IGBT功放管，提供峰值高達(dá)20A的“沖擊性”電流。相比之下，對(duì)于50Hz的正弦波電流而言，它的峰值電流僅為8.5A左右。由此可見(jiàn)，其峰值電流增大了2.4倍左右，而且還會(huì)使IGBT功放管的瞬態(tài)溫升增高5.5倍左右。這是因?yàn)?，IGBT功放管的瞬態(tài)溫升是正比于峰值電流的平方?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 由此可見(jiàn)，如果我們直接利用高頻機(jī)型UPS來(lái)帶這種峰值比很高的負(fù)載的話，無(wú)異于將這種UPS長(zhǎng)期置于電應(yīng)力和熱應(yīng)力都處于急劇變化的惡劣工作狀態(tài)之下，由此可能帶來(lái)的惡果必然是高頻機(jī)型UPS使用壽命的縮短和故障率的增高

15、。 如圖5所示，在UPS逆變器的輸出端，配置/Y型隔離變壓器后，則可以利用隔離變壓器所具有的如下優(yōu)異運(yùn)行特性來(lái)改善逆變器中IGBT管的工作條件，從而大幅度地提高UPS可靠性。從某種意義上講，我們可以將這種輸出隔離變壓器看成，為跨接在UPS與整流濾波型非線性負(fù)載之間的“50Hz濾波器”，它將大幅提高UPS承擔(dān)具有高峰比的沖擊性電流的能力?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 (1) 具有優(yōu)異的抗高頻干擾的衰減隔離特性，使得工頻機(jī)具有很好的抗負(fù)載沖擊能力和較高的短路阻抗; (2)能有效的衰減來(lái)自IT設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等非線性負(fù)載所產(chǎn)生的3次及其奇數(shù)倍的濾波電流，

16、有利于提高UPS逆變器IGBT功放管的可靠性。例如：在一臺(tái)輸出隔離變壓器的副邊繞組所需的負(fù)載電流的有效值=51A，電流諧波含量的THDI值=74%，峰值比為2.8：1。即：電流峰值約為143A的“沖擊性”很高的電流。它電流諧波含量的THDI值=74%，其中最大的電流諧波分量出現(xiàn)在3次電流諧波分量上?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 由此所帶來(lái)的后果之一是：盡管用戶已竭盡所能將它的三相負(fù)載不平衡度控制在2%的范圍之內(nèi)，仍然會(huì)導(dǎo)致它的零線電流，出現(xiàn)高達(dá)160%平均的線電流現(xiàn)象。這樣一來(lái)，就會(huì)迫使用戶必須將他們的UPS供電系統(tǒng)零線電纜的截面積增大，是它相線

17、電纜的截面積的1.5倍以上。 相關(guān)的理論分析表明，導(dǎo)致零線電流的幅值異常增大的原因是，3次及其奇數(shù)倍諧波電流在零線上會(huì)發(fā)生“矢量和”相加的緣故。然而，對(duì)于同樣的這臺(tái)輸出隔離變壓器的原邊繞組來(lái)說(shuō)，由于它的繞組對(duì)于它的負(fù)載電流中的3次及其奇數(shù)倍諧波電流分量來(lái)說(shuō)，會(huì)呈現(xiàn)優(yōu)異的陷波型的濾除作用，從導(dǎo)致其輸入諧波特性得到明顯地改善。科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 它主要表現(xiàn)在：負(fù)載電流的有效值下降到僅為45.2A左右，電流諧波含量的THDI值下降到28%，負(fù)載電流的峰值比下降到1.7：1。這就意味著：此時(shí)位于UPS逆變器中的IGBT管所需承擔(dān)電流峰值僅為77A左右，從而達(dá)到大大削弱負(fù)載電流”沖擊性”的目的。顯而易見(jiàn)，這非常有利于提高UPS的可靠性?？迫A恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患圖5帶輸出隔離變壓器UPS的優(yōu)異保護(hù)功能 科華恒盛，中國(guó)領(lǐng)先高端電源解決方案提供商工業(yè)電源專家一、高頻型UPS潛在隱患 它主要表現(xiàn)在：負(fù)載電流的有效值下降到僅為45.2A左右，電流諧波含量的THDI值下降到28%，負(fù)載電流的峰值比下降到1.7：1。這就意味著：此時(shí)位于UPS逆變器中的I