UPS工頻機高頻機的定義和原理分析

-.z.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的導通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開通點，一旦SCR導通之后，即使門極驅動撤消，也無法關斷，只有等到其電流為零之后才能自然關斷，所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期，不存在高頻的開通和關斷控制。由于SCR整流器屬于降壓整流，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300V~500V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個開關脈沖對6個可控硅分別控制，所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓撲如下：圖二、典型6脈沖拓撲12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，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)結構成12相整流電路。圖三：典型12脈沖整流器示意圖6脈沖和12脈沖的詳細技術分析可參見：《大功率UPS6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動來控制IGBT的開通與關斷，IGBT整流器開關頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達上百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UPS整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，所需要的標配電池節(jié)數(shù)達到67節(jié)，這樣給實際應用帶來極大的限制。因此一般高頻UPS會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。二、工頻機和高頻機的性能對比隨著電力電子技術的發(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UPS有功率密度大、體積小、重量輕的特點。但在高頻UPS功率段向功率過渡推進的過程中。高頻拓撲UPS在使用過程中暴露出一些固有缺點，并影響到UPS的安全使用和運行。1）零偏故障。*型號大容量三相高頻UPS拓撲如下：圖3:*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，當零點參考點突然消失，將造成嚴重的UPS輸出零偏故障，進而導致UPS后端負載設備的損壞，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，,,,此種結構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，很難滿足IBM,HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。*型號高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓撲結構，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，實測電池正極與浮置電壓有325V，斷開電池架接地，電池架與間有100多伏浮置電壓。接通電池架與，電池架與漏電流高達110mA。按照行業(yè)標準（GB13870.1-93《電流通過人體的效應》），50mA的電流就可以致人死亡。該型號UPS在電池架未與短接時，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形成通路，造成人體觸電。同時，此高頻諧波嚴重干擾了外置的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上問世，至今晶闡管已歷時半個多世紀的發(fā)展和革新，耐受高電壓，大電流晶闡管技術已非常成熟，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工作時有嚴格的電壓，電流工作區(qū)域，抗沖擊能力有限。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雜電網(wǎng)的實際驗證。高頻大功率UPS還有諸多缺點，總結如下，詳見：附：大功率工頻UPS和高頻UPS技術對比表：

高頻機工頻機1采用IGBT整流技術，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，系統(tǒng)可靠性高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IBM,HP等服務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帶不平衡負載的能力。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無輸出隔離變壓器，在UPS故障的情況下存在輸出直流電壓損壞負載的風險即使在UPS故障的情況下也不存在輸出直流電壓的風險，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)主旁路不同源配置可以實現(xiàn)主旁路不同輸入源的配置方案，滿足高可靠性場地的配電要求；8*些廠家的高頻機輸入零線中斷時，UPS無常工作，當市電和柴油發(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變壓器重新生成中心點，UPS輸入零線中斷時可正常工作。9采用專用充電器，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，電池壽命嚴重縮短電池直接掛接母線，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，同等負載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，高頻UPS有一些優(yōu)點，但目前就技術發(fā)展和成熟度而言，大功率高頻機有許多缺點還需要進一步技術優(yōu)化和升級。*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)字信號處理技術確保測量數(shù)據(jù)快速、靈活，從而產(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，將極提高負載設備的安全性與穩(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，電流隔離對于這領域尤為重要。(2).高頻UPS為了降低產(chǎn)品成本則不含這些組件，相應的電流穩(wěn)定性就不如工頻UPS。2．工頻UPS設備零部件設計的優(yōu)越性(1).工頻UPS的零部件可根據(jù)客戶的規(guī)格和需要設計，每個零部件都能承受較高的額定功率且具有較長的壽命，旨在確保用戶設備操作過程的安全與持久。(2).高頻UPS在設計上旨在降低成本，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)境有極強的適應性工頻UPS主要設計在苛刻的工業(yè)環(huán)境下使用，防護等級達到了IP54，而高頻UPS不具備這種適應能力。(1).工頻UPS設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、震動、腐蝕、爆炸危險型氣體及一些無法預測的環(huán)境。(2).工頻UPS可適應高溫環(huán)境0~55℃，相對濕度0%~95%，防塵、防雨水。諸如中國海洋石油公司，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)境適應能力。(3).高頻UPS不是專為工業(yè)環(huán)境設計，所以只能安裝在清潔的、較安全的、可預測的環(huán)境中。如安裝于空調(diào)房、低溫、無塵等環(huán)境。4．工頻UPS設備壽命的優(yōu)越性工頻UPS設計壽命超過20年，而高頻UPS設計壽命為3~5年。(1).根據(jù)工頻UPS銷售經(jīng)驗，許多設備都能正常工作15至30年(2).工頻UPS的設計方向就是延長系統(tǒng)持續(xù)工作的壽命，以符合需要長壽命保障的一些應用領域，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年以上的時間其產(chǎn)品都無需要更換設備，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設計壽命僅為3~5年，5年后設備就需要更換。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備、人員的安全性及生產(chǎn)能力。2．商務型的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設計有強大的過載能力。當設備過載時，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：利用高頻開關技術，以高頻開關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