UPS工頻機高頻機的定義和原理分析

1、UPS工頻機高頻機的定義和原理分析UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由可控硅SCR（晶閘管）整流器，IGBT （絕緣柵雙極晶體管）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典型的工頻UPS拓撲如下:圖1 :典型工頻UPS拓撲主路三相交流輸入經(jīng)過換相電感接到三個SCR 橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋 SCR勺導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCRW于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開通點，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門極驅(qū)動撤消，也無法關(guān)斷，只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷，所以其開通和關(guān)斷均是基于一個工頻周期，不

2、存在高頻 的開通和關(guān)斷控制。由于SCRII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。同時，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離，顯著減少了 逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。同時，工頻機的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機典型母線電壓通常為 300V500V之間，可直接掛接三十幾節(jié)電池，不需要另外增加電池充電器。按整流器晶闡管數(shù)量的不同，工頻機通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個可控硅（晶閘管）組成的全橋整流，由于有6個開關(guān)脈沖對6個可控硅分別控

3、制， 所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓撲如下：12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組沖整流器，使直流母線由 12個可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流。下圖所示兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。圖三：典型12脈沖整流器示意圖6脈沖和12脈沖的詳細技術(shù)分析可參見：大功率UPS 6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區(qū)別。高頻機通常由IGBT高頻整流器（注意：工頻是SCR整流、IGBT逆變），電池變換器，逆變器和旁路組成，IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動來控制IGBT的開通與關(guān)斷，IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達上百

4、 KHz,相對于50Hz工頻，稱之為高頻UPS典型的高頻機拓撲如下：圖2:高頻UPS拓撲圖高頻UPSB流屬于升壓整流模式，其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰峰值高，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)達到67節(jié),這樣給實際應(yīng)用帶來極大的限制。因此一般高頻UP8單獨配置一個電池變換器，市電正常的時候電池變換器把母線 800V的母線電壓降壓到電池組電壓；市電故障或超限時，電池 變換器把電池組電壓升壓到 800V的母線電壓。從而實現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機母 線電壓為800V左右，所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。、工

5、頻機和高頻機的性能對比隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問世。中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻upsW功率密度大、體積小、重量輕的特點。但在高頻ups功率段向中大功率UPS的安過渡推進的過程中。高頻拓撲UPS在使用過程中暴露出一些固有缺點，并影響到全使用和運行。1）零偏故障。某型號大容量三相高頻 UPS拓撲如下：圖3:某型號四橋臂高頻機拓撲從圖3可知，UPS主路輸入是三相四線 （相線+零線），整流器為四橋臂變換器。 A、B、 C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時不能斷開。當(dāng)A B、C三相閉合，零線斷開時。如果 UPS輸出端接不平衡負載，當(dāng)零點參

6、考點突然消 失，將造成嚴(yán)重的 UPS輸出零偏故障，進而導(dǎo)致 UPS后端負載設(shè)備的損壞，輸出閃斷等重 大故障。如果 A、B、C零線同時中斷。這種情況往往會發(fā)生在市電和發(fā)電機切換過程，此 種拓撲的高頻機因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作，在特定工況下（電壓過零點，非同步切換 時）可能造成負載閃斷的重大故障。而工頻機因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開 時，UPS可以保持正常供電。2）零地電壓抬升和電池架帶電問題。從圖2和圖3可以看到，大功率三相高頻機零線會引入整流器并做為正負母線的中性點，HIP匕種結(jié)構(gòu)不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負載端零地電壓抬高，很難?t足|B

7、M,Hp等服務(wù)器廠家對零地電壓小于 1V的場地需求。某型號高頻UPS的電池變換器采用高頻 Buck/Boost拓撲結(jié)構(gòu)，變換器缺少必要的濾波 裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量，F(xiàn)LUKE儀表在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如下圖：可以明顯看到頻率 12.5KHZ的高頻分量，實測電池正極與大地浮置電壓有325V,斷開電池架接地，電池架與大地間有100多伏浮置電壓。接通電池架與大地，電池架與大地漏電流高達110mA按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB13870.1-93電流通過人體的效應(yīng)），50mA的電流就可以致人死亡。該型號UPS在電池架未與大地短接時，人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺。原因是充電回路中高頻分量通過人體與

8、大地形成通路，造成人體觸電。同時， 此高頻諧波嚴(yán)重干擾了外置的UPS電池單體電壓監(jiān)控系統(tǒng)，使電池電壓監(jiān)控測試儀無法正常工作。3）可靠性降低。自1947年底首個晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（ SCR現(xiàn)稱晶閘管）在 晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世，至今晶闡管已歷時半個多世紀(jì)的發(fā)展和革新，耐受高電壓，大電流晶闡管技術(shù)已非常成熟，其抗電流沖擊能力非常強。晶闡管是半控器件，不會出現(xiàn) 直通，誤觸發(fā)等故障。相比而言，80年代初問世的IGBT （絕緣柵雙極晶體管） 有許多優(yōu)點， 其開關(guān)頻率可在幾 K至幾百KHz之間，是目前高頻 UPS主要功率器件。但是，IGBT工作時 有嚴(yán)格的電壓，電流工作區(qū)域，抗沖擊

9、能力有限。在可靠性方面，IGBT一直比晶闡管差。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用晶闡管的整流器故障率遠遠低于IGBT整流器的故障率，前者大約為后者的1/4。工頻機通常采用 SCR整流器，而高頻機多采用 IGBT整流器。因此，工頻機在可靠性方 面優(yōu)于高頻機。而大功率 UPS可靠性是用戶關(guān)注的第一要素。目前市面上銷售的多款國際 知名品牌工頻機產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑。并通過了長時間和復(fù)雜電網(wǎng)的實際驗證。 高頻大功率UPS還有諸多缺點，總結(jié)如下，詳見附件：附：大功率工頻 UPS和高頻UPS技術(shù)對比表：高頻機工頻機1米用IGBT整流技術(shù)，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，IGBT整 流故障率遠高于可控制硅整流采用可控硅整流技術(shù)

10、，系統(tǒng)可靠性局2輸出有高次諧波，高頻諧波耦合在零線上， 可 能抬升零地電壓。 很難滿足 舊M,HP等服務(wù)器 廠家對零地電壓小于 1V的場地需求輸出配置隔離變壓器， 零地電壓增量為 零，更可靠保證負載運行3逆變器直接掛接負載，抗負載沖擊能力弱，降 低逆變器的可靠性輸出隔離變壓器自身短路阻抗的作用 及高頻衰減隔離特性， 使得工頻機具有 很好的抗負載沖擊能力，降低負載突變 和短路對UPS的影響4逆變器直接帶載，帶不平衡負載能力弱通過變壓器的負載重新分配，提高了 UPS帶不平衡負教的能力。5負載直掛，帶非線性負載的能力弱輸出變壓器具有 3N次諧波電流的隔離 能力，帶非線性負載的能力強；6無輸出隔離交壓

11、器，在UPSi攵障的情況下存在 輸出直流電壓損壞負載的風(fēng)險即使在UPS故障的情況下也不存在輸 出直流電壓的風(fēng)險，負載更加安全可 靠；7主路旁路N線必須相同，因此無法實現(xiàn)主旁路/、同源配置可以實現(xiàn)主旁路不向輸入源的配置方 案，滿足局可靠性場地的配電要求；8某些廠家的高頻機輸入零線中斷時，UPS無法正常工作，當(dāng)市電和柴油發(fā)電機切換時，因零線短時“缺失”可能出現(xiàn)“零偏”故障，造成 輸出閃斷，負載掉電的重大故障隔離艾壓器重新生成中心點，UPS俞入零線中斷時可止常工作。9米用專用充電器，充電能力弱。只能滿足短時 間（5-10分鐘）后備電池的充電能力， 長延時 配置時電池充電能力不足， 電池壽命嚴(yán)重縮短電

12、池直接掛接母線， 在負載不足滿載時可將剩余的整流器容量用于充電，特別適應(yīng)中國客戶長延時配置后備電池的需求10電池與逆變器之間增加了電壓變換電路，降低了電池放電時系統(tǒng)效率，向等負數(shù)時需配置更 多的電池。且系統(tǒng)可靠性降低電池直接掛接母線，逆變效率高，節(jié)省 電池的配置容量不可否認，局頻 UPS有一些優(yōu)點，但目前就技術(shù)發(fā)展和成熟度而后，大功率局頻機后 許多缺點還需要進一步技術(shù)優(yōu)化和升級。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。在可靠性第一原則下，使用在重要場合的大功率UPS仍然以工頻機為首選。其他資料總結(jié)一、工頻UPS工作原理存在的優(yōu)越性1.工頻UPS用數(shù)字信號處理技術(shù)確保測量數(shù)據(jù)快速、靈活，從而

13、產(chǎn)生快速的控制變量， 確保對充電器及逆變的實時控制。2.工頻UPS比高頻UPS具有更強大的短路保護能力及更強大的過載能力。3.由于中國市電環(huán)境的極不穩(wěn)定和易受到一些外部情況的干擾，所以對短路能力及過載能力的要求也更高。 采用工頻UPS將極大地提高負載設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。二、工頻UPS硬件配置存在的優(yōu)越性1.從技術(shù)上，工頻 UPS比高頻UPS多增加了輸入和輸出變壓器(1).工頻UPS獨有標(biāo)配的輸入/輸出變壓器，使電流隔離免受輸入干擾。在工業(yè)環(huán)境中，有些外部設(shè)備是大的干擾輸入，如泵、發(fā)動機等等。這些干擾 容易造成電流波動，影響負載的安全，因此，電流隔離對于這領(lǐng)域尤為重要。(2).高頻UPS為了降

14、低產(chǎn)品成本則不含這些組件，相應(yīng)的電流穩(wěn)定性就不如工頻UPS2.工頻UP皺備零部件設(shè)計白優(yōu)越性(1).工頻UPS勺零部件可根據(jù)客戶的規(guī)格和需要設(shè)計，每個零部件都能承受較高的額定功率且具有較長的壽命，旨在確保用戶設(shè)備操作過程的安 全與持久。(2)二高頻UPSE設(shè)計上旨在降低成本;所以其零部件僅符合最低的額定功|率要求。3.對工業(yè)的苛刻環(huán)境有極強的適應(yīng)性工頻UPS主要設(shè)計在苛刻的工業(yè)環(huán)境下使用，防護等級達到了IP54,而高頻UPS不具備這種適應(yīng)能力。(1).工頻UPS設(shè)計的定位就是在工業(yè)環(huán)境中工作，如石化、電力、交通運輸行業(yè)等等。應(yīng)用于各種苛刻的 工業(yè)室外環(huán)境，防止外部輸入干擾，如高溫、高濕、粉塵、

15、震動、腐蝕、爆炸危險型氣體 及一些無法預(yù)測的環(huán)境。(2).工頻UPS可適應(yīng)高溫環(huán)境 055C,相對濕度0%95%防塵、防雨水。諸如中國海洋石油公司，中國石化公司這樣規(guī)模的大公司選擇使用的工頻UPS產(chǎn)品，就是因為它具備高可靠的苛刻工業(yè)室外環(huán)境適應(yīng)能力。(3).高頻UPS不是專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計，所以只能安裝在清潔的、較安全的、可預(yù)測的環(huán)境中。如安裝于空調(diào)房、 低溫、無塵等環(huán)境。4.工頻UPS設(shè)備壽命的優(yōu)越性工頻UPS設(shè)計壽命超過20年，而高頻UPS設(shè)計壽命為35年。 (1).根據(jù)工頻UPS銷售經(jīng)驗，許多設(shè)備都能正常工作 15至30年 (2).工頻UPS的設(shè)計方向就是延長系統(tǒng)持續(xù)工作的壽命，以符合需要

16、長壽 命保障的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如石化廠或電站。所以，即便是工頻UPS早期的投入較高頻 UPS大，但在20年以上的時間內(nèi)其產(chǎn)品都無需要更換設(shè)備，而且備品備件在停產(chǎn)后的后備儲存 期也相對的比高頻 UPS長很多。(3).高頻UPS設(shè)計壽命僅為35年，5年后設(shè)備就需要更換。而且備品備件的儲備也極其有限。5.方便的前端維護工頻UPS系統(tǒng)自行維護時間很長，而高頻UPS系統(tǒng)自行維護時間較短。(1).工頻UPS設(shè)計有方便的前端維護，并可在系統(tǒng)停產(chǎn)后長時間的提供備品備件，方便維護。且工頻UPS使用和維護服務(wù)期都超過20年。 (2).高頻UPS的購買、使用及更換時間相對較短。三、工頻UPS輸出的電源質(zhì)量存在的優(yōu)越性

17、1.工頻UPS獨有的輸入輸出變壓器。使電流隔離免受輸入干擾的同時，也將提高最終電源輸出的質(zhì)量。在像石化領(lǐng)域一 類的惡劣工業(yè)環(huán)境中，輸出電源質(zhì)量的優(yōu)劣，將直接影響整個工廠設(shè)備、人員的安全性及 生產(chǎn)能力。2.商務(wù)型的UPS并不具備上述組件，所以也不具備如此強大的功能。四、工頻UPS過載切換存在的優(yōu)越性強大的過載能力工頻UPS設(shè)計有強大的過載能力。當(dāng)設(shè)備過載時，由于其具有的過載能力強，所以UPS切換至旁路運行的可能性很小。這將大大增加系統(tǒng)的安全性。因為當(dāng)切換至旁路運行時，同則意味著負載不再由逆變器或 蓄電池供電。高頻UPS的過載能力相對工頻 UPS較低，當(dāng)發(fā)生意外過載時，容易由UPS切換至旁路運行，這將會把系統(tǒng)置于一個極不穩(wěn)定的狀態(tài)，增加了旁路開關(guān)因瞬時過載而 跳閘的可能性，影響了系統(tǒng)的安全性。一、定義1、高頻機：利用高頻開關(guān)技術(shù)，以高頻開關(guān)元件替代整流器和逆變器中的工頻變壓器的 ups俗稱高頻機，高頻機體積小、效率高。2、工頻機：采用工頻變