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什么是高頻式UPS電源,什么是工頻式UPS電源-UPS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)GBT UPS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)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(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�，后�?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)橹绷鳎┑侥孀儯ㄔ趶闹绷髯優(yōu)榻涣鳎┑倪^(guò)程中，每個(gè)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(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底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范圍，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)GBT 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(shì)：

可控硅整流的大缺點(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(wú)須較大的電感元件，更可省掉變壓器。
在充電環(huán)節(jié)上，全I(xiàn)GBT UPS具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。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(guò)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(shí)際上，UPS電池的配置是靈活多樣的，對(duì)不同容量的電池采取同樣的充電參數(shù)顯然會(huì)對(duì)電池延壽不利。而采用全I(xiàn)GBT技術(shù)的UPS，在直流母線上引出的直流電經(jīng)過(guò)IGBT斬波控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精確充電，并可通過(guò)數(shù)字化控制細(xì)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(dá)到延長(zhǎng)壽命的目的。金山特的ABM電池管理技術(shù)就是在全I(xiàn)GBT結(jié)構(gòu)的硬件基礎(chǔ)上通過(guò)合理的程序控制實(shí)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(shuō)明"資料)。

變壓器在全I(xiàn)GBT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(chǎng)特殊電力狀況，例如現(xiàn)場(chǎng)輸入電為三相角形輸入時(shí)，采用輸入角/星變壓器可使UPS在角型輸入的現(xiàn)場(chǎng)得以應(yīng)用；再如現(xiàn)場(chǎng)要求UPS必須為單相輸出，且功率數(shù)較高時(shí)（一般容量大于20KVA時(shí)，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(chǎng)合要求輸入電與輸出電的全隔離，可在UPS輸出一測(cè)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(cè)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(duì)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(lái))。