什么是高頻式UPS電源,什么是工頻式UPS電源-UPS高頻機工頻機概念解析

隨著UPS技術(shù)的不斷發(fā)展，很多計算機、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，無論在主要性能上、外觀尺寸上、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性方面，都有了顯著的進步，有些指標(biāo)甚至是質(zhì)的飛躍，對于大中型UPS來說更是如此。
     目前比較流行的大中型UPS結(jié)構(gòu)由原來的老式結(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)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IGBT UPS結(jié)構(gòu)(高頻機)如下，基本結(jié)構(gòu)：不控整流+DC/DC倍壓環(huán)節(jié)+獨立充電器+逆變器

從圖中可以看出，工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言，工頻機是可控整流，傳統(tǒng)技術(shù)好可做到12拍整流；而高頻機的整流是二極管不控整流+IGBT的高頻直流升壓環(huán)節(jié)。對逆變器而言都是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)，對于需要加裝隔離變壓器的現(xiàn)場，高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件，其作用也由原來的必要配置轉(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，無論從容量、結(jié)構(gòu)、或是可靠性都大大地提高了，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)由原來的工頻機轉(zhuǎn)向高頻機(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)的更新直接的效果就是UPS主機體積的縮小，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，靠整流可控硅的調(diào)節(jié)對電池充電，同時為GTR或IGBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電，逆變器將直流逆變?yōu)榻涣鳎�后�?jīng)過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)橹绷鳎┑侥孀儯ㄔ趶闹绷髯優(yōu)榻涣鳎┑倪^程中，每個環(huán)節(jié)都是將壓環(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（可通過可控整流的導(dǎo)通角調(diào)整來適應(yīng)輸入電壓變化，確保輸入交流電壓變化時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是將輸出電壓恒定在底于全波整流輸出電壓的某個數(shù)值上。而逆變環(huán)節(jié)同樣是一個降壓環(huán)節(jié)，從可控整流輸入來的直流電在通過逆變器逆變出交流的過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范圍，終提供了恒定的220/380V輸出。

    目前較為先進的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較高的恒定直流電壓（與可控硅整流的效果相反，通過這種IGBT整流可以得到一個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)，可實現(xiàn)電池直接掛母線方式所無法作到的充電效果）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。此時無須在加一個升壓環(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IGBT UPS。由于數(shù)字技術(shù)的引入，大大提高了IGBT元件的開關(guān)頻率，與前者相比，在很多方面具有顯著的優(yōu)勢：

可控硅整流的大缺點就是對電網(wǎng)的干擾問題，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)補償環(huán)節(jié)，如有源濾波器等。不但增加了購買UPS的費用，同時效果也不理想，無形中又增加了一個故障點。而新型的全IGBT整流可輕易地將功率因數(shù)提高到接近1。從根本上解決了對電網(wǎng)回潰干擾的問題。

由于從前的UPS采用GTR作為逆變輸出功率元件，因此其開關(guān)特性較差，即使采用了IGBT元件，由于控制上沒有相應(yīng)的改善，其開關(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。而目前的UPS數(shù)字化控制，逆變輸出的開關(guān)頻率非常高，因此輸出波形平滑，無須較大的電感元件，更可省掉變壓器。
在充電環(huán)節(jié)上，全IGBT UPS具有更明顯的優(yōu)勢。早期UPS采用電池直接掛直流母線的做法，電池的充電電壓只能通過可控硅整流控制，只能作到恒壓限流的傳統(tǒng)充電方式，而且充電參數(shù)幾乎不可改變。而實際上，UPS電池的配置是靈活多樣的，對不同容量的電池采取同樣的充電參數(shù)顯然會對電池延壽不利。而采用全IGBT技術(shù)的UPS，在直流母線上引出的直流電經(jīng)過IGBT斬波控制，可實現(xiàn)對電池的精確充電，并可通過數(shù)字化控制細化參數(shù)設(shè)置，作到為每種配置的電池指定適合的充電方案，達到延長壽命的目的。金山特的ABM電池管理技術(shù)就是在全IGBT結(jié)構(gòu)的硬件基礎(chǔ)上通過合理的程序控制實現(xiàn)的(金山特 ABM電池管理技術(shù)介紹見"金山特 ABM技術(shù)說明"資料)。

變壓器在全IGBT技術(shù)UPS中，作為可選配置為一些有特殊要求的用戶配置。其功能也主要是適應(yīng)現(xiàn)場特殊電力狀況，例如現(xiàn)場輸入電為三相角形輸入時，采用輸入角/星變壓器可使UPS在角型輸入的現(xiàn)場得以應(yīng)用；再如現(xiàn)場要求UPS必須為單相輸出，且功率數(shù)較高時（一般容量大于20KVA時，UPS很少有單相輸出的標(biāo)準(zhǔn)形式，都采用三相輸出形式），可采用輸出的三相/單相變壓器，提供供電形式轉(zhuǎn)換，滿足用電要求。還有一些用電場合要求輸入電與輸出電的全隔離，可在UPS輸出一測配置隔離變壓器，可有效抑制共模躁聲。但需要注意的是，采用可控整流的UPS雖然標(biāo)準(zhǔn)配置具有變壓器，但其隔離效果不一定完善，主要是隔離變壓器的位置應(yīng)加在UPS旁路輸出與逆變輸出的公共輸出測才可完全作到輸入與輸出的電氣隔離，而可控硅整流UPS的輸出升壓變壓器只是提升逆變輸出的電壓，而對旁路輸出不起作用(除非具有雙隔離變壓器將逆變輸出與旁路輸入同UPS輸出隔離開來)。