工頻ups和高頻ups電源的區(qū)別

時(shí)間：2021-07-09作者：上海全邁智能科技有限公司瀏覽：41

目前ups的發(fā)展方向是高頻機(jī)型ups替代工頻機(jī)型ups，因?yàn)槭紫雀哳l機(jī)型ups相比工頻機(jī)型ups來講，不僅取消了笨重的變壓器，在效率方面也是提高了近5%。可是國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀就是還有些戶對(duì)高頻機(jī)不太信任，這一方面也是因?yàn)樾麄鞯木壒?。造成了普遍用戶?duì)高頻機(jī)的不信任。雖然工頻機(jī)型ups使用的歷史比較長(zhǎng)，但由于它固有的缺點(diǎn)想真正提高機(jī)房節(jié)能是不太可能實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

技術(shù)總是在發(fā)展的，新技術(shù)代替舊技術(shù)是歷史的發(fā)展規(guī)律。然而，新舊之間的替代與轉(zhuǎn)換一般并不是那么順利，人類社會(huì)是這樣，自然、科技領(lǐng)域也是如此?，F(xiàn)在的已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，這是不可逆轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，各行各業(yè)遲早都要集中到這一條路上來，但就某一個(gè)時(shí)期來說發(fā)展是不平衡的，這中間有很多因素的影響，比如各自的技術(shù)發(fā)展水平不同，人員對(duì)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)和接受能力不同等等。具體到ups領(lǐng)域又何嘗不是如此。

一、工頻機(jī)ups和高頻ups的一般概念

靜止變換式工頻機(jī)結(jié)構(gòu)ups技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)70年代，毫無疑問在當(dāng)時(shí)屬**技術(shù)，幾十年間也為電子電器技術(shù)領(lǐng)域作出了不朽的貢獻(xiàn)，*。一般說任何技術(shù)的**性是相對(duì)而言，任何**的產(chǎn)品也有其一定的適用期。隨著it技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，工頻機(jī)ups組件暴露出它的缺點(diǎn)，比如體積大、重量大、功耗大和輸入功率因數(shù)低等不利因素大大影響了數(shù)據(jù)中心的可靠性。

在歷史發(fā)展中總是遵循這樣一個(gè)規(guī)律：每當(dāng)一種技術(shù)阻礙生產(chǎn)力發(fā)展時(shí)，就會(huì)有一種新的技術(shù)產(chǎn)生出來代替。毫不例外，高頻機(jī)ups技術(shù)問世了。為了區(qū)別以前的ups，就起了一個(gè)高頻機(jī)ups的名字。原來那種輸入輸出都工作在50hz并且有輸出變壓器的老的電路結(jié)構(gòu)就稱作工頻機(jī)ups；而這種輸入輸出電路都工作在20khz以上且沒有的輸出變壓器的電路就稱為高頻機(jī)ups。

二、高頻ups比工頻機(jī)ups有哪些優(yōu)點(diǎn)

1、 輸入功率因數(shù)高

工頻機(jī)ups一般在200kva以下的輸入電路都采用了可控硅6脈沖整流，輸入功率因數(shù)不**過0.8，諧波電流有30%之大。如果**接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的容量至少要3倍于ups功率；如果是單相小功率ups，發(fā)電機(jī)的容量至少要5倍于ups功率。

但是，任何容量的高頻機(jī)ups的輸入功率因數(shù)都可做到0.99或甚至以上，諧波電流小于5%，前置發(fā)電機(jī)的容量理論上和ups功率相同，大大縮減了投資和占地面積等。尤其是對(duì)市電的充分利用具有良好的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

2、 本身功耗小

在同樣指標(biāo)下，比如要求輸入功率因數(shù)為0.95以上時(shí)，工頻機(jī)ups就必須外加諧波濾波器或改為12脈沖整流，就是說**要增加一個(gè)設(shè)備，再加上輸出變壓器，就比高頻機(jī)ups多了兩個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。由于此二者的影響，使得工頻機(jī)ups的效率比高頻機(jī)ups低5%。在同樣是100kw的容量時(shí)工頻機(jī)ups每年要比高頻機(jī)ups多消耗5萬度電！這在*號(hào)召節(jié)能減排的今天，能源的節(jié)約具有深遠(yuǎn)意義。



圖1 高輸入功率因數(shù)下的工頻機(jī)ups和高頻機(jī)ups結(jié)構(gòu)方框

3、 對(duì)外干擾小

ups的干擾一般有兩種，一種是聽得到的機(jī)械噪聲，一種是聽不到的電噪聲，這兩種噪聲工頻機(jī)ups都有，形成了對(duì)設(shè)備和對(duì)人的傷害。電噪聲影響機(jī)器的穩(wěn)定度，機(jī)械噪聲影響人的身心健康，降低工作效率。

而高頻機(jī)ups由于工作在20khz以上，20khz是人的耳朵聽不到的頻率，使工作環(huán)境安靜下來。又由于一般的高頻機(jī)ups的輸入功率因數(shù)高達(dá)0.99以上，幾乎是線性，所以對(duì)外干擾幾乎為零。

4、 體積小、重量輕

工頻機(jī)ups由于有了輸出變壓器和適應(yīng)50hz的電感等低頻器件使得體積重量都很大。比如某品牌200kva工頻機(jī)ups重1380kg，而同是這一廠家的250kva高頻機(jī) ups 重量只有830kg。

5、全數(shù)字技術(shù)

工頻機(jī)ups開始是模擬技術(shù)，現(xiàn)在一般發(fā)展為數(shù)字與模擬相結(jié)合的技術(shù)。模擬技術(shù)的可靠性要比數(shù)字技術(shù)低。而高頻機(jī)ups技術(shù)是一種全數(shù)字化技術(shù)，不言而喻，可靠性是很高的。

6、對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力強(qiáng)

工頻機(jī)ups對(duì)于適應(yīng)輸入電壓±15%的變化已很不易；而高頻機(jī)ups甚至適應(yīng)輸入電壓±30%以上的變化，這又大大延長(zhǎng)了ups的電池壽命。

7、能將并機(jī)環(huán)流衰減到幾乎為零

工頻機(jī)ups的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián)，而變壓器的直接并聯(lián)較容易產(chǎn)生環(huán)流，而且這個(gè)環(huán)流的路徑暢通無阻，如圖2（a）所示；高頻機(jī)ups由于沒有輸出變壓器，它們的并聯(lián)如圖2（b）所示，可以看出這里的環(huán)流路徑上處處是障礙，小于2v的電壓差根本形不成環(huán)流，而工頻機(jī)ups在此情況下就會(huì)形成很大的環(huán)流。



圖2 兩種ups并聯(lián)方框圖

總之，高頻機(jī)ups在性能上不但能完全替代工頻機(jī)ups，而且還具有很多后者沒有的特點(diǎn)。

工頻機(jī)ups的生產(chǎn)廠商和推銷者為了延長(zhǎng)產(chǎn)品的銷售壽命，在其他性能指標(biāo)上無法與高頻機(jī) ups抗敵，就把希望寄托在輸出變壓器上，因?yàn)楦哳l機(jī) ups沒有這個(gè)變壓器，再加之一些用戶缺乏技術(shù)概念，于是就賦予了變壓器很多具有神秘色彩的功能。比如這個(gè)變壓器可以抗干擾、可以緩沖負(fù)載浪涌電流、可以隔直流、可以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的沖擊和變化，等等。

在這里，不要忽略的基本功能，ups是電壓源，電壓源的基本功能是輸出電壓動(dòng)態(tài)性能要好，即無論負(fù)載在允許范圍內(nèi)如何變化，電壓總是穩(wěn)定的。根本不允許變壓器對(duì)負(fù)載進(jìn)行什么“抵抗”或“緩沖”。



圖3 全橋逆變器ups輸出變壓器原理圖

有的人就表示，這個(gè)變壓器是為了在逆變器功率管損壞時(shí)隔斷直流電流到負(fù)載的通路而加入的，對(duì)此說法不妨做一個(gè)探討，看一看變壓器是否有阻隔直流的功能。圖3示出了一般變壓器的工作情況。首先承認(rèn)這種變壓器是變換交流電的，如圖中正弦波。/版權(quán)所有）假如不用來變換交流電而是施加直流，如圖2中將電池組開關(guān)s閉合，由于變壓器繞組內(nèi)阻相當(dāng)?。ń朴诙搪罚┚蜁?huì)在電池組和變壓器初級(jí)繞組之間形成相當(dāng)大的電流，一直到將電池組或?qū)Ь€或繞組燒斷為止。換言之，這種電源變壓器不能加直流。

下面就來討論逆變器功率管損壞情況。逆變器功率管的損壞有兩種情況：斷開或穿通（短路）。圖4示出了ups全橋逆變器一個(gè)功率管（比如vt2）開路（斷開）的情況。從圖中可以看出，在此情況下的電流路徑只能是一個(gè)方向的，就是說只能輸出一個(gè)極性的半波，如圖中所示。一個(gè)極性就意味著含直流成分，直流電流分量在變壓器初級(jí)繞組中的積累會(huì)使繞組達(dá)到飽和狀態(tài)，就類似于繞組短路，形成很大的電流，以致將變壓器和電池這個(gè)回路燒斷時(shí)才結(jié)束。這個(gè)直流電流倒是沒有進(jìn)到負(fù)載端，但ups本身燒了。



圖4 全橋逆變器ups一個(gè)功率管開路情況原理圖

再看逆變器一支功率管（比如vt2）穿通（短路）的情況。只要vt4一導(dǎo)通就形成對(duì)**直流電壓的短路狀態(tài)，如圖5所示。強(qiáng)大的電流可將vt4瞬間炸毀，如果不是炸斷就較危險(xiǎn)，它可能會(huì)將電池組燒毀。某電子公司就因?yàn)檫@原因，一舉燒毀了72節(jié)100ah電池。在這種情況下也是隔斷了直流，同樣是把自己給燒毀了。

以上兩種情況都是用燒毀ups本身的代價(jià)而保護(hù)了it設(shè)備，這對(duì)it設(shè)備用戶是不是就算是一種福音呢？當(dāng)然不是，因?yàn)椴徽撌菬龤ps還是it設(shè)備都會(huì)使系統(tǒng)崩潰而無法繼續(xù)工作。



圖5 全橋逆變器ups一個(gè)功率管穿通情況原理圖

如果ups供電設(shè)備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護(hù)了it設(shè)備，同時(shí)也保證了本身的安然無恙，這樣的隔直流功能才有實(shí)際意義，這才是用戶真正需要的。

在大功率三相ups中這個(gè)變壓器具有隔斷三次諧波的能力，但必須是d-y連接，如圖6所示?？上У氖沁@種連接方法消除的是線電壓上的三次諧波，而相電壓上的諧波不能消除，



圖6 ups輸出三相變壓器的連接

如圖6右圖所示。再說逆變器本身產(chǎn)生的三次諧波幾乎為零，根本不用到輸出端去消除。而負(fù)載大都用相電壓220v，并且還破壞相電壓波形而產(chǎn)生三次諧波。因此在這里談什么消除三次諧波好像沒有實(shí)用**。

工頻機(jī)ups輸出變壓器的基本功能就是變壓和產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)，其他功能只是想像中的一種美好愿望。

三、高頻機(jī)ups與工頻機(jī)ups的現(xiàn)狀

因?yàn)楦哳l機(jī)ups對(duì)技術(shù)與工藝以及生產(chǎn)手段的要求非常嚴(yán)格，一般也不容易防制，20khz以上的高頻機(jī)ups容量都小于100kva，只有少數(shù)制造廠的技術(shù)真正過關(guān)，并且已顯示出強(qiáng)大的生命力。在大功率范圍雖然不能做到20khz，但可以采用高頻機(jī)結(jié)構(gòu)，比如用igbt高頻整流（相對(duì)于50hz而言），頻率一般在15khz以下，多數(shù)廠家已可做到200kva，但也有*，比如秀康10年前就可做到8khz/480kva，伊頓9395也可做到15khz/1200kva，并已成為美國(guó)的軍方*產(chǎn)品。這說明高頻機(jī)結(jié)構(gòu)ups技術(shù)早已成熟。在我國(guó)軍方和金融等重要部門也紛紛采用，并收到了良好的效果。

當(dāng)然工頻機(jī)結(jié)構(gòu)ups在這種情況下的日子會(huì)越來越艱難，好在是還有那么一批廠家的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)ups沒有過關(guān)，還得主推工頻機(jī)ups，作為市場(chǎng)手段多說一些當(dāng)前用工頻機(jī)ups較合適之類的語言，多說一些工頻機(jī)的好處和多找一些高頻機(jī)的缺點(diǎn)均屬正?，F(xiàn)象，這可以理解，也可能是認(rèn)識(shí)問題。但不要認(rèn)為工頻機(jī)ups技術(shù)永遠(yuǎn)不落后。從科學(xué)發(fā)展觀來說，以后一段時(shí)間內(nèi)無疑是高頻機(jī)ups的市場(chǎng)。不可否認(rèn)，高頻機(jī)ups同樣也有退出歷史舞臺(tái)的一天，當(dāng)然那是后話。

四、所謂兩個(gè)發(fā)展方向

現(xiàn)在有一種說法：高頻機(jī)ups和工頻機(jī)ups是兩個(gè)發(fā)展方向。這就使人糊涂了：

難道效率低的產(chǎn)品也是發(fā)展方向？難道部考慮節(jié)能減排了嗎？

難道耗費(fèi)資源和笨重的產(chǎn)品也是發(fā)展方向？

總之，這種觀點(diǎn)不外乎說：高頻機(jī)ups與工頻機(jī)ups并存；節(jié)能減排與浪費(fèi)能量和資源并存；**與落后并存…所謂技術(shù)上的并存應(yīng)該是**的，比如自行車雖然比汽車跑得慢，但它們?cè)谝欢ǔ潭壬鲜腔ハ?*的；而這里的ups技術(shù)卻是可以完全替代的。這就像汽車2型可以替代1型，3型可以替代2型一樣的道理。


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