工頻UPS和高頻UPS原理

./摘要：本文通過(guò)大容量工頻UPS和高頻UPS進(jìn)行原理分析、拓?fù)鋵?duì)比、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和性能對(duì)比,全面總結(jié)了大功率工頻UPS和高頻UPS的優(yōu)缺點(diǎn)和選配原則。

一、工頻機(jī)和高頻機(jī)的定義和原理分析

UPS通常分為工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種。工頻機(jī)由可控硅SCR整流器,IGBT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?fù)淙缦拢?/p>

圖1：典型工頻UPS拓?fù)?/p>

主路三相交流輸入經(jīng)過(guò)換相電感接到三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過(guò)控制整流橋SCR的導(dǎo)通角來(lái)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(kāi)通點(diǎn),一旦SCR導(dǎo)通之后,即使門(mén)極驅(qū)動(dòng)撤消,也無(wú)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(kāi)通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期,不存在高頻的開(kāi)通和關(guān)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(shí),由于增加了隔離變壓器,系統(tǒng)輸出零線可以通過(guò)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(lái)的干擾。

同時(shí),工頻機(jī)的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機(jī)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(jī)通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個(gè)可控硅〔晶閘管組成的全橋整流,由于有6個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖對(duì)6個(gè)可控硅分別控制,所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓?fù)淙缦拢?/p>

圖典型6脈沖拓?fù)?/p>

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6脈沖整流器,使直流母線由12個(gè)可控硅整流完成,因此又稱為12脈沖整流。

下圖所示兩個(gè)三相整流電路就是通過(guò)變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。

圖典型12脈沖整流器示意圖

6脈沖和12脈沖的詳細(xì)技術(shù)分析可參見(jiàn)《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(jī)通常由IGBT高頻整流器,電池變換器,逆變器和旁路組成,IGBT可以通過(guò)控制加在其門(mén)極的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷,IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達(dá)上百KHz,相對(duì)于50Hz工頻,稱之為高頻UPS。典型的高頻機(jī)拓?fù)淙缦拢?/p>

圖2：高頻UPS拓?fù)鋱D

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(biāo)配電池節(jié)數(shù)達(dá)到67節(jié),這樣給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的限制。因此一般高頻UPS會(huì)單獨(dú)配置一個(gè)電池變換器,市電正常的時(shí)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(shí),電池變換器把電池組電壓升壓到800V的母線電壓。從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機(jī)母線電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

二、工頻機(jī)和高頻機(jī)的性能對(duì)比

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問(wèn)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(diǎn)。但在高頻UPS功率段向功率過(guò)渡推進(jìn)的過(guò)程中。高頻拓?fù)銾PS在使用過(guò)程中暴露出一些固有缺點(diǎn),并影響到UPS的安全使用和運(yùn)行。

1零偏故障。

某型號(hào)大容量三相高頻UPS拓?fù)淙缦拢?/p>

圖3:某型號(hào)四橋臂高頻機(jī)拓?fù)?/p>

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(guò)IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時(shí)不能斷開(kāi)。當(dāng)A、B、C三相閉合,零線斷開(kāi)時(shí)。如果UPS輸出端接不平衡負(fù)載,當(dāng)零點(diǎn)參考點(diǎn)突然消失,將造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障,進(jìn)而導(dǎo)致UPS后端負(fù)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(shí)中斷。這種情況往往會(huì)發(fā)生在市電和發(fā)電機(jī)切換過(guò)程,此種拓?fù)涞母哳l機(jī)因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作,在特定工況下〔電壓過(guò)零點(diǎn),非同步切換時(shí)可能造成負(fù)載閃斷的重大故障。而工頻機(jī)因整流器不需要零線參與工作,在零線斷開(kāi)時(shí),UPS可以保持正常供電。

2零地電壓抬升和電池架帶電問(wèn)題。

從圖2和圖3可以看到,大功率三相高頻機(jī)零線會(huì)引入整流器并做為正負(fù)母線的中性點(diǎn),此種結(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(fù)載端零地電壓抬高,很難滿足IBM,HP等服務(wù)器廠家對(duì)零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。

某型號(hào)高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓?fù)浣Y(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,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下圖：

可以明顯看到頻率12.5KHz的高頻分量,實(shí)測(cè)電池正極與浮置電壓有325V,斷開(kāi)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(dá)110mA。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)〔GB13870.1-93《電流通過(guò)人體的效應(yīng)》,50mA的電流就可以致人死亡。該型號(hào)UPS在電池架未與短接時(shí),人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺(jué)。原因是充電回路中高頻分量通過(guò)人體與形成通路,造成人體觸電。同時(shí),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(cè)試儀無(wú)常工作。

3可靠性降低。

自1947年底首個(gè)晶體管問(wèn)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(wèn)世,至今晶闡管已歷時(shí)半個(gè)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(qiáng)。晶闡管是半控器件,不會(huì)出現(xiàn)直通,誤觸發(fā)等故障。相比而言,80年代初問(wèn)世的IGBT〔絕緣柵雙極晶體管有許多優(yōu)點(diǎn),其開(kāi)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(shí)有嚴(yán)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(jì),采用晶闡管的整流器故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT整流器的故障率,前者大約為后者的1/4。

工頻機(jī)通常采用SCR整流器,而高頻機(jī)多采用IGBT整流器。因此,工頻機(jī)在可靠性方面優(yōu)于高頻機(jī)。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(guó)際知名品牌工頻機(jī)產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑。并通過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜電網(wǎng)的實(shí)際驗(yàn)證。

高頻大功率UPS還有諸多缺點(diǎn),詳見(jiàn)附件：

附：大功率工頻UPS和高頻UPS技術(shù)對(duì)比表：

高頻機(jī)工頻機(jī)高頻機(jī)工頻機(jī)1采用IGBT整流技術(shù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),IGBT整流故障率遠(yuǎn)高于可控制硅整流采用可控硅整流技術(shù),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(wù)器廠家對(duì)零地電壓小于1V的場(chǎng)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(fù)載運(yùn)行3逆變器直接掛接負(fù)載,抗負(fù)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(jī)具有很好的抗負(fù)載沖擊能力,降低負(fù)載突變和短路對(duì)UPS的影響4逆變器直接帶載,帶不平衡負(fù)載能力弱通過(guò)變壓器的負(fù)載重新分配,提高了UPS帶不平衡負(fù)載的能力。5負(fù)載直掛,帶非線性負(fù)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(fù)載的能力強(qiáng)；6無(wú)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(fù)載的風(fēng)險(xiǎn)即使在UPS故障的情況下也不存在輸出直流電壓的風(fēng)險(xiǎn),負(fù)載更加安全可靠；7主路旁路N線必須相同,因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)主旁路不同源配置可以實(shí)現(xiàn)主旁路不同輸入源的配置方案,滿足高可靠性場(chǎng)地的配電要求；8某些廠家的高頻機(jī)輸入零線中斷時(shí),UPS無(wú)常工作,當(dāng)市電和柴油發(fā)電機(jī)切換時(shí),因零線短時(shí)"缺失"可能出現(xiàn)"零偏"故障,造成輸出閃斷,負(fù)載掉電的重大故障隔離變壓器重新生成中心點(diǎn),UPS輸入零線中斷時(shí)可正常工作。9采用專用充電器,充電能力弱。只能滿足短時(shí)間<5-10分鐘>后備電池的充電能力,長(zhǎng)延時(shí)配置時(shí)電池充電能力不足,電池壽命嚴(yán)重縮短電池直接掛接母線,在負(fù)載不足滿載時(shí)可將剩余的整流器容量用于充電,特別適應(yīng)中國(guó)客戶長(zhǎng)延時(shí)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(shí)系統(tǒng)效率,同等負(fù)載時(shí)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(rèn),高頻UPS有一些優(yōu)點(diǎn),但目前就技術(shù)發(fā)展和成熟度而言,大功率高頻機(jī)有許多缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化和升級(jí)。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(chǎng)合的大功率UPS,仍然以工頻機(jī)為首選。高頻機(jī)工頻機(jī)概念解析隨著UPS技術(shù)的不斷發(fā)展,很多計(jì)算機(jī)、電力電子領(lǐng)域的新技術(shù)、新理念引入到UPS行業(yè)。與IT行業(yè)的其他產(chǎn)品類似,現(xiàn)在的UPS與從前的產(chǎn)品相比較,無(wú)論在主要性能上、外觀尺寸上、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性方面,都有了顯著的進(jìn)步,有些指標(biāo)甚至是質(zhì)的飛躍,對(duì)于大中型UPS來(lái)說(shuō)更是如此。目前比較流行的大中型UPS結(jié)構(gòu)由原來(lái)的老式結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)向更為合理的新型結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)老式結(jié)構(gòu)UPS的基本結(jié)構(gòu)<工頻機(jī)>如下,基本結(jié)構(gòu)：可控硅整流+電池直接直流母線+IGBT逆變器+升壓變壓器新型全I(xiàn)GBTUPS結(jié)構(gòu)<高頻機(jī)>如下,基本結(jié)構(gòu)：不控整流+DC/DC倍壓環(huán)節(jié)+獨(dú)立充電器+逆變器從圖中可以看出,工頻機(jī)與高頻機(jī)的概念主要是對(duì)整流部分而言,工頻機(jī)是可控整流,傳統(tǒng)技術(shù)最好可做到12拍整流；而高頻機(jī)的整流是二極管不控整流+IGBT的高頻直流升壓環(huán)節(jié)。對(duì)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(jīng)淘汰>。另外,工頻機(jī)的輸出變壓器必不可少,由于其整流逆變等環(huán)節(jié)均為降壓環(huán)節(jié),因此在輸出側(cè)必須有升壓變壓器作為電壓的調(diào)整。而高頻機(jī)由于具有DC/DC升壓環(huán)節(jié),其輸出側(cè)不必要加升壓環(huán)節(jié)<升壓變壓器>,對(duì)于需要加裝隔離變壓器的現(xiàn)場(chǎng),高頻機(jī)也可按照要求加裝隔離變壓器選件,其作用也由原來(lái)的必要配置轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x配置。UPS的電氣結(jié)構(gòu)所以發(fā)生了更新變化,主要是由于元器件的發(fā)展,IGBT作為UPS的主要功率元件技術(shù)更加成熟,無(wú)論從容量、結(jié)構(gòu)、或是可靠性都大提高了,加之UPS數(shù)字化程度地不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結(jié)構(gòu)由原來(lái)的工頻機(jī)轉(zhuǎn)向高頻機(jī)<正如當(dāng)年可控硅逆變器被大功率晶體管GTR取代,之后又被IGBT逆變器取代一樣>。UPS電氣結(jié)構(gòu)的更新最直接的效果就是UPS主機(jī)體積的縮小,重量的下降,而更重要的是電氣性能的提高。下面具體分析兩種結(jié)構(gòu)UPS的電氣原理及電氣性能：早期大中型UPS主回路結(jié)構(gòu)采用可控硅整流將輸入的交流電整為直流,電池直接掛在直流母線上,當(dāng)輸入市電正常時(shí),靠整流可控硅的調(diào)節(jié)對(duì)電池充電,同時(shí)為GTR或IGBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電,逆變器將直流逆變?yōu)榻涣?最后經(jīng)過(guò)輸出變壓器的升壓及濾波,提供純正的交流輸出。從其結(jié)構(gòu)中可以看出,從整流〔從交流變?yōu)橹绷鞯侥孀儭苍趶闹绷髯優(yōu)榻涣鞯倪^(guò)程中,每個(gè)環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié)：可控硅整流是為了提供恒定的直流電壓而采取的一種整流方式〔可通過(guò)可控整流的導(dǎo)通角調(diào)整來(lái)適應(yīng)輸入電壓變化,確保輸入交流電壓變化時(shí)整流輸出直流電壓的恒定,由于可控硅整流只能斬掉一部分輸入電,所以其恒定輸出電壓的代價(jià)是將輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個(gè)數(shù)值上。而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個(gè)降壓環(huán)節(jié),從可控整流輸入來(lái)的直流電在通過(guò)逆變器逆變出交流的過(guò)程中同樣采用的是斬波的做法,其結(jié)果同樣是輸出電壓等級(jí)的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結(jié)構(gòu)的UPS中,必須在輸出測(cè)加入升壓變壓器,將逆變輸出的較低恒定電壓升致合理的輸出圍,最終提供了恒定的220/380V輸出。目前較為先進(jìn)的UPS主回路結(jié)構(gòu)采用不控整流加升壓環(huán)節(jié),將交流輸入通過(guò)整流橋全波整流為直流后,采用IGBT元件組成的DC/DC電路直流升壓到一個(gè)較高的恒定直流電壓〔與可控硅整流的效果相反,通過(guò)這種IGBT整流可以得到一個(gè)高于全波整流輸出電壓的恒定直流電。并將其作為直流母線,為電池充電電路〔充電電路也采用IGBT充電技術(shù),可實(shí)現(xiàn)電池直接掛母線方式所無(wú)法作到的充電效果及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高,經(jīng)過(guò)IGBT高頻逆變調(diào)整后,可直接得到恒定的逆變輸出電壓。此時(shí)無(wú)須在加一個(gè)升壓環(huán)節(jié),完全可以省掉輸出升壓變壓器。在上述的兩種UPS結(jié)構(gòu)中,后者在所有功率環(huán)節(jié)均采用了IGBT技術(shù),因此此種結(jié)構(gòu)的UPS又為全I(xiàn)GBTUPS。由于數(shù)字技術(shù)的引入,大大提高了IGBT元件的開(kāi)關(guān)頻率,與前者相比,在很多方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)：可控硅整流的最大缺點(diǎn)就是對(duì)電網(wǎng)的干擾問(wèn)題,由于輸入斬波產(chǎn)生的回潰污染,通常只能采用附加的輸入功率因數(shù)補(bǔ)償環(huán)節(jié),如有源濾波器等。不但增加了購(gòu)買(mǎi)UPS的費(fèi)用,同時(shí)效果也不理想,無(wú)形中又增加了一個(gè)故障點(diǎn)。而新型的全I(xiàn)GBT整流可輕易地將功率因數(shù)提高到接近1。從根本上解決了對(duì)電網(wǎng)回潰干擾的問(wèn)題。由于從前的UPS采用GTR作為逆變輸出功率元件,因此其開(kāi)關(guān)特性較差,即使采用了IGBT元件,由于控制上沒(méi)有相應(yīng)的改善,其開(kāi)關(guān)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