UPS工頻機高頻機的定義和原理分析

時間：2020-01-05

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（絕緣柵雙較晶體管）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，即使門較驅動撤消，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**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較的驅動來控制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**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較大的限制。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****，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功率段向中大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。

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**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。

某型號高頻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，FLUKE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大地形成通路，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)控測試儀無法正常工作。

3）**性降低。

自1947年底一個晶體管問世，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（絕緣柵雙較晶體管）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**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**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**性方面**高頻機。而大功率UPS**性是用戶關注的**要素。目前市面上銷售的多款******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，詳見附件：

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整流故障率遠可控制硅整流**	采用可控硅整流技術，系統(tǒng)**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，較****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**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，負載較加安全**；
7	主路旁路N線相同，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**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)性降低**	電池直接掛接母線，逆變**，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。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。在**性**原則下，使用在重要場合的大功率UPS，仍然以工頻機為可以選擇。

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)**、靈活，從而產(chǎn)生**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具有較強大的短路保護能力及較強大的過載能力。　　3. 由于中國市電環(huán)境的較不穩(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較高。采用工頻UPS，將較大地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*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較低的額定功率要求。　　3．對工業(yè)的苛刻環(huán)境有較強的適應性　　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，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**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**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**命**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年以上的時間內其產(chǎn)品都*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較其有限。　　5．方便的**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**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**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輸出的電源質量存在的優(yōu)越性　　1．工頻UPS*有的輸入輸出變壓器。使電流隔離免受輸入干擾的同時，也將提高較終電源輸出的質量。在像石化領域一類的惡劣工業(yè)環(huán)境中，輸出電源質量的優(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)置于一個較不穩(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、**。
2、工頻機：采用工頻變壓器作為整流器與逆變器部件的UPS俗稱工頻機，主要特點是主功率部件穩(wěn)定**、過負荷能力和抗沖擊能力強。
二、主要區(qū)別
   1、高頻機不帶隔離變壓器，其輸出零線存在高頻電流，主要來自市電電網(wǎng)的諧波干擾、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波干擾等，其干擾電壓不僅數(shù)值高而且難以消除。而工頻機的輸出零地電壓較低，而且不存在高頻分量，對于計算機網(wǎng)絡的通信安全來講，較加重要。
   2、高頻機輸出沒有變壓器隔離，如果逆變功率器件發(fā)生短路，則直流母線（DC BUS）上的高直流電壓直接加到負載上，這是安全隱患，而工頻機則不存在此問題。
   3、工頻機的抗負載沖擊能力較強。

詞條
詞條說明
工頻UPS較高頻UPS的優(yōu)越性
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)**、靈活，從而產(chǎn)生**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具有較強大的短路保護能力及較強大的過載能力。 3. 由于中國市電環(huán)境的較不穩(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較高。采用工頻UPS，將較大地提高負載設備的安全性與穩(wěn)定性。二、工頻UPS硬件
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