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高频机UPS与工频机UPS原理及优劣势分析
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UPS是计算机机房的主要组成部分之一,在机房系统中,电源是最基本的要求,没有了电就没有了一切,作为系统运行基本保障的UPS也就成了重中之重,是基础设施中的基础。近年来,随着计算机、通信和IT技术的飞速发展以及局域网、广域网和互联网的普遍实施,作为电源基础建设中的UPS的市场需求,在各行业中呈现出快速增长的势头。同时,随着机房系统的安全性要求的提高,用户对所使用UPS本身的性能和可靠性也同样提出了更高的要求。

然而,近年来由于UPS行业的特殊性,很多用户在选择和使用UPS中存在很多不清楚的地方,在UPS一些基本概念上依然存在不少的问题,严重影响了UPS的合理选用。例如:有些用户受一些错误概念的误导,不能正确弄清楚工频机UPS和高频机UPS的原理和区别,仍然坚持认为工频UPS比高频UPS好,甚至在招标中将工频UPS写入标书强制要求,于是就进入了选择UPS产品的误区,在日后UPS的使用中,也就给自己埋下了隐患,难免给工作造成损失。

目前,数据中心能源供电系统的选择是以节能减排这个基本国策作为前提,UPS发展的方向将是高频化、小型化、智能化和绿色化,这个发展方向可以大幅度的节省投资、提高效率、节约空间,高频UPS由于其技术性能上的明显优势,代表了UPS发展技术的最新水平,符合绿色环保低碳的世界潮流,将全面开始淘汰工频UPS,最终在市场上形成高频UPS一统天下的局面。

1980年,美国IPM公司推出UPS结构新方案,第一次成功地取消了传统UPS输入隔离变压器,而后几年又由于技术的进一步发展,半桥逆变器变换方案的成熟运用,又成功地取消了输出隔离变压器,使UPS的性能又有了很大程度的提高,传统意义上的高频机就此诞生,它进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。

随着UPS技术的不断发展,很多计算机、电力电子领域的新技术、新理念引入到UPS行业。与IT行业的其他产品类似,现在的UPS与从前的产品相比较,无论在主要性能上、外观尺寸上、对现场环境的适应性及可靠性方面,都有了显著的进步,有些指标甚至是质的飞跃。目前,国际上知名的UPS公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产,改为生产高频机UPS。随着全IGBT高频机UPS历经10多年的发展,技术和产品越来越成熟,市场上所谓的“工频机”UPS已到了昨日黄花,该考虑退路的时候了。目前在国外已没有了所谓“工频机”这个概念,我国之所以还存在着一些工频机的厂家和产品,这完全依赖于某些用户对新事物的不敏感和对老产品盲目的怀旧和眷恋。

2 工频机UPS和高频机UPS的原理

工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代,几十年间为电子电器技术领域做出了不朽的贡献,有口皆碑。然而,随着IT技术的出现与发展,在目前的应用中,工频机UPS逐步暴露出它的缺点:体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等,这些不利因素大大影响了数据中心的可靠性。

习惯上,我们将原来那种输入输出都工作在50Hz并且有输出变压器的老的电路结构的UPS称作工频机UPS;而将输入输出电路都工作在20kHz以上且没有输出变压器的电路结构的UPS称为高频机UPS。

传统老式结构UPS的基本结构(工频机)如下,基本结构:

可控硅整流+电池直接直流母线+ IGBT逆变器+升压变压器



新型全IGBT UPS结构(高频机)如下,基本结构:

不控整流+DC/DC倍压环节+独立充电器+逆变器。


从图中可以看出,工频机与高频机的概念主要是对整流部分而言,工频机是可控整流,传统技术最好可做到12脉冲整流;而高频机的整流是二极管不控整流/IGBT+IGBT的高频直流升压环节。对逆变器而言都是IGBT的SPWM高频逆变工作方式(除早期的可控硅逆变工作模式UPS,目前已经淘汰)。另外,工频机的输出变压器必不可少,由于其整流逆变等环节均为降压环节,因此在输出侧必须有升压变压器作为电压的调整。而高频机由于具有DC/DC升压环节,其输出侧不必要加升压环节(升压变压器),对于需要加装隔离变压器的现场,高频机也可按照要求加装隔离变压器选件,其作用也由原来的必要配置转变为可选配置。UPS的电气结构所以发生了更新变化,主要是由于元器件的发展,IGBT作为UPS的主要功率元件技术上更加成熟,其容量、结构和可靠性都远远高于SCR,随着UPS数字化程度地不断深入,新一代大中型UPS的主流结构由原来的工频机逐步转向高频机(正如当年可控硅逆变器被大功率晶体管GTR取代,之后又被IGBT逆变器取代一样)。UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小,重量的下降,而更重要的是电气性能的提高。

下面具体分析两种结构UPS的电气原理及电气性能:早期大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整为直流,电池直接挂在直流母线上,当输入市电正常时,靠整流可控硅的调节对电池充电,同时为GTR或IGBT结构的桥式逆变器供电,逆变器将直流逆变为交流,最后经过输出变压器的升压及滤波,提供纯正的交流输出。从其结构中可以看出,从整流(从交流变为直流)到逆变(在从直流变为交流)的过程中,每个环节都是降压环节:可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式(可通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化,确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定),由于可控硅整流只能斩掉一部分输入电,所以其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出交流的过程中同样采用的是斩波的做法,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS中,必须在输出测加入升压变压器,将逆变输出的较低恒定电压升至合理的输出范围,最终提供了恒定的220/380V输出。

目前较为先进的UPS主回路结构采用不控整流加升压环节,将交流输入通过整流桥全波整流为直流后,采用IGBT元件组成的DC/DC电路直流升压到一个较高的恒定直流电压(与可控硅整流的效果相反,通过这种IGBT整流可以得到一个高于全波整流输出电压的恒定直流电。并将其作为直流母线,为电池充电电路(充电电路也采用IGBT充电技术,可实现电池直接挂母线方式所无法作到的充电效果)及逆变输出部分提供电能。由于直流母线电压足够高,经过IGBT高频逆变调整后,可直接得到恒定的逆变输出电压。此时无须在加一个升压环节,完全可以省掉输出升压变压器。

在上述的两种UPS结构中,后者在所有功率环节均采用了IGBT技术,因此此种结构的UPS又为全IGBT UPS。由于数字技术的引入,大大提高了IGBT元件的开关频率,与前者相比,在很多方面具有显著的优势。

3 高频UPS比工频机UPS的优点

(1)输入功率因数高

可控硅整流的最大缺点就是对电网的干扰问题,由于输入斩波产生的回溃污染,通常只能采用12脉冲+无源滤波器,或者采用附加的输入功率因数补偿环节,如有源滤波器等来解决。但这些方案不但增加了购买UPS的费用,同时效果也不理想,无形中又增加了一个故障点。而新型的全IGBT整流可轻易地将功率因数提高到接近1,谐波电流小于5%,从根本上解决了对电网回溃干扰的问题。同时在前段配置发电机时,前置发电机的容量理论上和UPS功率相同,大大缩减了投资和占地面积等。尤其是对市电的充分利用具有良好的经济意义和社会意义。

而工频机UPS一般在200kVA以下的输入电路都采用了可控硅6脉冲整流,输入功率因数不超过0.8,谐波电流有30%之大。如果前置发电机,发电机的容量至少要3倍于UPS功率;如果是单相小功率UPS,发电机的容量至少要5倍于UPS功率。

(2)本身功耗小 

在同样指标下,比如要求输入功率因数为0.95以上时,工频机UPS就必须采用12脉冲整流+无源滤波器的工作方式,或者采用6脉冲整流+有源滤波器的工作方式,也就是说前面要增加一个设备,再加上输出变压器,这就比高频机UPS多了两个环节,如图1所示。



图1 高输入功率因数下的工频机UPS和高频机UPS结构方框图

由于此二者的影响,从而使工频机UPS的效率比高频机UPS普遍低5%左右。在同样200kW的容量时工频机UPS每年要比高频机UPS多消耗10万度电!这严重不符合目前绿色环保,节能减排的基本国策。

(3)体积小,重量轻,对外干扰小

由于从前的UPS采用GTR作为逆变输出功率元件,因此其开关特性较差,即使采用了IGBT元件,由于控制上没有相应的改善,其开关频率也较低,因此输出波形不很平滑,或需要变压器等大电感元件平波。而目前的UPS数字化控制,逆变输出的开关频率非常高,因此输出波形平滑,无须较大的电感元件,更可省掉变压器,从而使得高频机UPS的体积和重量大幅度得以降低,比如某品牌200kVA工频机UPS重1380kg,而同是这一品牌的250kVA高频机 UPS 重量只有830kg。

UPS对外干扰有两种,一种是听得到的机械噪声,一种是听不到的电噪声,电噪声影响机器的稳定度,机械噪声影响人的身心健康,降低工作效率。这两种噪声工频机UPS都同时产生,形成了对设备和对人的双重伤害。

而高频机UPS由于其工作频率在20kHz以上,而20kHz是人的耳朵无法听到的频率,从而使工作时噪音大幅度降低,同时由于高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上,对于上游几乎是线性,所以对外干扰几乎为零。

(4)全数字化技术

工频机UPS开始是模拟技术,现在一般发展为数字与模拟相结合的技术。模拟技术的可靠性要比数字技术低。而高频机UPS技术是一种全数字化技术,可靠性远远高于工频机UPS。

首先,高频机UPS的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器,而采用SPWM技术实现整流高频化(AC/DC)。一方面减少直流侧滤波器尺寸,改善直流侧调节性能,提高市电电压允许变化范围;另一方面在控制技术中很多采用数字信号处理器DSP控制,使输入电流正弦化,并与市电电压相同,从而实现UPS高输入功率因数(PF约为1),消除对市电的谐波“污染”,大幅度减少无功损耗,明显降低了运行成本,达到环保的目的。

    其次,高频机UPS取消了UPS逆变器中的工频变压器,用高频变压器来实现UPS与市电的隔离,而UPS的输出级采用SPWM变换方式(不用变压器直接逆变)输出工频电压。逆变器中的功率IGBT工作频率在20kHz以上,因此输出滤波器小而简单,而且输出的正弦波非常光滑。

    再次,对于UPS内部的蓄电池组高频机UPS采取高频变化降压方式(DC/DC)充电,当市电停电,UPS转换为蓄电池,给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式(DC/DC)实现。 

    最后,高频机UPS在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术,使其调节高速化,远远优于传统模式模拟反馈技术,再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制,使UPS动态相应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术,使逆变器不仅具有较强的过载能力,允许100%负载不平衡(指三相逆变器),而且具有强有力的自身保护。

(5)充电控制方式优异

在充电环节上,全IGBT UPS具有更明显的优势。早期UPS采用电池直接挂直流母线的做法,电池的充电电压只能通过可控硅整流控制,采用恒压限流的传统充电方式,而且充电参数几乎不可改变。而实际上,UPS电池的配置是灵活多样的,对不同容量的电池采取同样的充电参数显然会对电池延寿不利。而采用全IGBT技术的UPS,在直流母线上引出的直流电经过IGBT斩波控制,可实现对电池的精确充电,并可通过数字化控制细化参数设置,作到为每种配置的电池指定最适合的充电方案,达到延长寿命的目的。

(6)变压器为选件,可以实现真正的完全隔离

变压器在全IGBT技术UPS中,作为可选配置为一些有特殊要求的用户配置。其功能也主要是适应现场特殊电力状况,例如现场输入电为三相角形输入时,采用输入角/星变压器可使UPS在角型输入的现场得以应用;再如现场要求UPS必须为单相输出,且功率数较高时(一般容量大于20KVA时,UPS很少有单相输出的标准形式,都采用三相输出形式),可采用输出的三相/单相变压器,提供供电形式转换,满足用电要求。还有一些用电场合要求输入电与输出电的全隔离,可在UPS输出一侧配置隔离变压器,可有效抑制共模噪声。但需要注意的是,采用可控整流的UPS虽然标准配置具有变压器,但其隔离效果不一定完善,主要是隔离变压器的位置应加在UPS旁路输出与逆变输出的公共输出侧才可完全作到输入与输出的电气隔离,而可控硅整流UPS的输出升压变压器只是提升逆变输出的电压,而对旁路输出不起作用(除非具有双隔离变压器将逆变输出与旁路输入同UPS输出隔离开来)。

(7)对电网的适应能力强 

工频机UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易,而高频机UPS甚至适应输入电压±30%以上的变化,这又大大延长了电池的寿命

工频机UPS由于其前端采用斩波控制输出直流的整流工作方式,过高的输入电压适应范围,在低压端,会导致电池因长期得不到饱满的充电而迅速失效,而在高压端一旦产生输入整流可控硅控制失控,后果将极为严重。

例如使用工频机UPS,对三相380V的来说,其+30%就是有效值494V,而峰值电压就是690V,如果输入整流器滤波电容采用450V的耐压规格,加20%的余量最高耐压也不过是585V,一旦输入可控硅失控,就会直接输出690V的高压至此电容上,从而造成极为严重的故障。在日常工作中,因为这个原因而导致电容在高压下爆炸的事件多有发生。

(8)可将并机环流衰减到几乎为零 

工频机UPS的并联就是变压器的直接并联,而变压器的直接并联最容易产生环流,而且这个环流的路径畅通无阻,如图2(a)所示。高频机UPS由于没有输出变压器,它们的并联如图2(b)所示。可以看出这里的环流路径上处处是障碍,小于2V的电压差根本形不成环流,而工频机UPS在此情况下就会形成很大的环流。 



(a) 工频机UPS的并联方框图



(b) 高频机UPS的并联方框图

图2 两种UPS并联方框图


4.对工频机UPS输出变压器的一些错误认识

工频机UPS逆变器输出配置变压器,而高频机UPS的输出则取消了这种传统的用漆包线+矽钢片铁心的变压器。在一些错误的认识中,有些用户就认为UPS的这个变压器是不能取消的,且具有不可替代性,常见的对于这个输出变压器的说法是:

可以隔离零线

可以直流隔离,在逆变器故障时切断直流电压到负载的通路,防止负载损坏

具有抗干扰和缓冲负载突变的作用

可以提高UPS的可靠性

可以更适应电网输入电压的大范围变化

好像这个变压器是为了这些目的专门为用户设计的。实际的情况是不是这样呢?回答是否定的。首先,很多用户把变压器当成了电抗器,不了解电抗器和变压器有着本质的区别。再就是这个变压器是其实是工频机UPS不可分离的构成部分,作用也很简单,下面我们进行详细的分析。 

(1)工频机UPS输出变压器的作用1-升压

从工频机UPS的结构中我们可以看出,从整流(从交流变为直流)到逆变(在从直流变为交流)的过程中,每个环节都是降压环节, UPS输出的有效值电压为220V,其正弦波交流电压的峰峰值电压是620V,而一般单相UPS的输入整流电压才310V(这还不包括一般为196V电池的情况),为了使逆变器不失真地输出有效值为220V的正弦波交流电压,逆变器前面的直流电压必须是650V∼870V。由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值,所以必须加一个输出变压器将逆变输出的较低恒定电压升致合理的输出范围,最终提供恒定的220/380V输出。


图3 输出隔离变压器的升压作用电原理图


(2) 工频机UPS输出变压器的作用2-隔离接地 

工频机UPS采用的是全桥变换器,如图4所示。这种变换器输出的不是一根火线和一根零线,而是两根火线。但一般的UPS负载要求必须具有零线,以便于接地,如果在没有输出隔离变压器的情况下,就将一根火线硬性接地,如图4(a)所示,就会导致UPS的工作失常。图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径,负半波也是如此。从图中可以看出,由于零线的接入,使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管,而是直接流回市电的零线输入端,在这种情况下,图中用虚线标出的一只整流器和一只逆变功率管就未起作用。按照正常的工作程序,负载电流应该流过两个桥式电路的各2只管子,如图4(c)所示,图4(d)是它的等效电路。由电路可以看出,只有在输出端增加变压器后,才可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线,从而构成一个可靠的供电系统。所以这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计,和其他没有必然关系。


(a)无输出变压器正半波时的电流流动方向和途径



(b)无输出变压器正半波时的等效电路



(c)有输出变压器正半波时的电流流动方向和途径



(d)有输出隔离变压器时的正半波等效电路

图4 工频机整流/逆变电流途径原理图


(3) 工频机UPS输出变压器不能隔离干扰和缓冲负载

目前所有UPS的隔离变压器都是为了变压和隔离零线(或接地)的目的而接入的,并没有隔离干扰和缓冲负载突变的功能。图5给出了这种变压器的结构原理图。从图5(a)的变压器原理图可以看出,普通电源变压器都有初级和次级,而且都是一层层用漆包线绕成的,如图5(b)的变压器结构剖面图所示。就是说,变压器是由绕在铁芯上的一层层铜漆包线构成,初级和次级也是这样,两层漆包线之间都垫有绝缘层,这样一来,每层绕组就构成一个导体平板,两层绕组之间就构成了一个平板电容器,进而在初次级绕组之间就形成了一个等效电容器C,如图9(b)所示。在初次级绕组之间也就形成了一个容抗XC,其数值的大小为:Xc =1/2πfc

   

(a)变压器原理图            (b)变压器结构剖面图

图5 变压器结构原理图

式中:

Xc是等效电容的容抗,单位是欧姆()

C是等效电容的容量,单位是法拉(F)

f是干扰信号频率,单位是赫兹(Hz)

从这个公式可以看出,频率越高,容抗就越小,也就是说干扰信号的频率越高,这个电容通路就越容易被穿过。由于一般干扰信号的频率是很高的,可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。若是较低频率的干扰到来,它就会按照变压器的变比按比例变换过去而干扰负载。正因为变压器并不抗干扰,所以几乎所有UPS都在输入和输出端加有输入/输出滤波器,如图6所示。


图6 一般工频机UPS电源结构方框图


同样,该变压器也没有缓冲负载电流突然变化的能力。首先根据能量守恒定律,变压器初次级之间的能量传递是等量的,即: U1I1=U2I2  比如当负载端短路时,次级电流I2就会趋向于无穷大,为了平衡负载端的变化,变压器初级电流I1也会趋向于无穷大。    

有些错误的说法认为变压器的漏感可阻止电流的突然变化,但实际上变压器的这个漏感非常小,不足以阻止这种变化。同样高频机UPS的输出端一般也串有小容量的电感,在这一点上和工频机UPS是等效的,但同样都起不了关键作用。为了弥补这个不足,所以在所有UPS的输出端都接有电流传感器,一旦出现过载或短路现象,就用停止逆变器工作的方法来保护。 

其次,如果这个变压器具有抗干扰功能,那么这个变压器必须具备分辨有用信号和干扰信号的功能,比如图7示出了非线性负载工作时的电流波形图。非线性负载向UPS索取的工作电流大小是不定的,随机的,哪一个变压器能从图7的电流波形中分辨出有用和干扰电流呢?没有一个UPS输出变压器具有这种分辨能力,那么抗干扰之说也就没有根据了。


图7 非线性负载工作电流图


(4)UPS输出变压器没有隔直流的能力

从前面讨论中已经知道在工频机UPS全桥逆变器的结构中必须要变压器,不仅是单相机,三相机更是这样:因为三相桥逆变器输出的是三条火线而没有零线,只有通过Y型变换才能有三相四线制的电源,所以变压器是工频机UPS不可分割的部分,下面来进行具体分析。

隔直流之说的主要观点是说当逆变器功率管故障后又有可能使直流电压加到用户机器的输入端,而输出变压器的初级和次级绕组是分开的,直流电压只能停留在初级绕组上,于是就产生了隔离效果。是的,但这是自知其一,却不知其二,这样会带来严重后果,事情完全不是想象中的那样,图8展示出了一般变压器的工作情况。首先这种变压器是变换交流电的,如图中正弦波。假如不用来变换交流电而是施加直流,如图8中将电池组开关S闭合,由于变压器绕组内阻相当小(近似于短路)就会在电池组和变压器初级绕组之间形成相当大的短路电流,一直到将电池组或导线或绕组烧断为止。换言之,这种电源变压器根本就不能加直流,这是个常识的问题。


图8 全桥逆变器UPS输出变压器原理图


下面再来讨论逆变器功率管损坏情况下的变压器状态。逆变器功率管的损坏有两种情况:断开或穿通(短路)。图9显示出了UPS全桥逆变器一个功率管(比如VT2)开路(断开)的情况。从图中可以看出,在此情况下的电流路径只能是一个方向的,就是说只能输出一个极性的半波,一个极性就意味着逆变器此时只能输出半波电压,而半波饱含直流成分,直流电流分量在变压器初级绕组中的积累会使绕组达到饱和状态,就类似于绕组短路,形成很大的电流,以致将变压器和电池这个回路烧断为结束。这个直流电流倒是没有进到负载端,但UPS本身却烧了。


图9全桥逆变器UPS一个功率管开路情况原理图


再看逆变器一支功率管(比如VT2)穿通(短路)的情况。只要VT3和VT4一工作就形成引发出巨大的隐患:管子截止时原来有两个串联功率管承受的高压现在都加在了一个管子上,压力增加了一倍,一旦它们承受不了这种高压就会被击穿而形成短路,如图10所示。强大的电流可将VT3或VT4瞬间炸毁,否则就会导致全系统跳闸保护。某石油公司的兆瓦级机房就是因为这个原因而造成3+1并联冗余的4300kVA供电系统跳闸停机。在这里的变压器根本没有任何作为。当然如果不是断路器及时跳闸就会导致变压器起火。在这种情况下虽然也是隔断了直流,但同样是把自己烧毁了,这样的隔直流功能没给用户带来任何好处。


图10 全桥逆变器UPS一个功率管穿通情况原理图


以上两种情况都是用烧毁UPS本身的代价而保护了IT设备,这对IT设备用户是不是就算是一种福音呢?当然不是,因为不论是烧毁UPS还是IT设备都会使系统崩溃而无法继续工作。如果UPS供电设备在逆变器功率管损坏的情况下不但保护了IT设备,同时也保证了本身的安然无恙,这样的隔直流功能才有实际意义,这才是用户真正需要的。持此种说法的误区在于没有搞清楚变压器不能加直流电压和电流的道理

(5)三相UPS输出变压器不具有完全隔断三次谐波的能力

在大功率三相UPS中这个变压器具有隔断三次谐波的能力,但必须是D-Y连接,如图11所示。但是这种连接方法只能消除线电压上的三次谐波,而相电压上的谐波不能消除,图中我们可以看到相电压是直接变过去的,线电压的相位移动了30°。

再说逆变器本身产生的三次谐波几乎为零,根本不用到输出端去消除。而负载大都用相电压220V,因此在这里谈什么消除三次谐波根本没有实用价值。工频机UPS输出变压器的基本功能就是变压和产生隔离接地点,其他功能只是想像中的一种美好愿望。


图11 UPS输出三相变压器的连接


(6)UPS变压器不能提高UPS系统的可靠性和稳定性

包括UPS在内的电子设备最容易出故障的主要因素是高温。在高温下,器件的漏电流增大、耐压降低。当环境温度在25C的基础上,每上升10C,元器件或设备的寿命就减半。当温度按照10C的算术梯度上升时,元器件或设备的寿命就会按照1/ 2n(n=1,2,3…)的几何级数规律递减。而机内的温升来自机内各个电路环节的功耗,变压器是其中之一,如果没有变压器就可以少去这部分功耗。所以从这个意义上说,由于变压器的存在,在一定程度上降低了系统的可靠性。

这里的误区在于将变压器的机械稳定性和电气性能混为一谈。这里的稳定性指的是电性能的稳定性,既然由于变压器的存在降低了系统的可靠性,当然也相应地降低了稳定性。陷入误区的人们误把电的稳定性当作机械稳定性来理解:变压器重量大,重心稳定,所以也就保证了系统的可靠性和稳定性。再者,变压器只是UPS的一个组成部分,它不给整体添麻烦也算提高了设备的可靠性,若从这个角度上说看问题,任何一个组成部分都可以这么说。

(7)UPS变压器不能使系统更加适应大范围的电网变化

有人说:由于目前的电网供电质量不高,电压波动很大,只能采用带变压器的工频机UPS,并说工频机变压器就可以使UPS系统更加适应电网电压的大幅度变化。而实际上的事实情况又是如何呢?我们可从图12进行分析:


图12工频机UPS输出变压器

这个变压器就是前面所介绍的输出电压变压器。这个变压器是接在逆变器的后面,它所承受的输入电压是经过几次变换后所形成的稳定电压,变化仅仅是1%,可说吃的是“小灶”,不论输入电压如何变化都和这个变压器没有多大的关系。这个变压器的加入和输入端是否能承受电网的变化毫不相关。所以那种“变压器能使系统适应大范围电网变化”的说法根本就不成立。

(8)高频机UPS真的没有变压器吗

很多用户认为高频机没有变压器,实际上这也是一种误解。在高频机UPS中也有变压器,比如UPS输出交流电压220V时的电压幅度峰峰值约620V,而UPS中的电池电压一般小功率采用的是192V、72V、48V或者更小。如果没有变压器又如何将这些低压升至620V呢!在人们的习惯中大都认为有线圈和铁心的才叫变压器,否则就不是变压器,这就有些片面了。凡是能将一个电压值变换为另一个电压值的装置都是变压器,包含高频机UPS内部的电子变压器,只是人们还不习惯而已。

高频机UPS由于有了这个电子变压器带来了很多好处:不但可以变压,而且还有输入功率因数校正功能,它可以将输入功率因数校正到接近于1,这是工频变压器所无法实现的;它的抗干扰功能也是工频变压器无法比拟的,这是因为普通电磁式变压器将输入的电压波形没有失真地传递到输出端,所以也将干扰一并送出。高频机的电子变压器则不然,如图13(a)所示的电路是将输入电压波形进行切割后储能送出:当整流正弦半波电压波形到来时,开关S闭合,电流经电感L和开关S和输入形成回路,如图中实线所示,此时能量储存在电感L中,开关S按照一定的频率开断与闭合,当开关断开后,储存在L中的能量沿虚线方向给二极管D后的电容和负载供电,而后再重复下一个同样的周期。其波形的关系如图13(b)和13(c)所示。从图中可以看出,电子变压器取能时,并不将其送出,而是以静态的形式储存,不取能时再将储存在电感中的能量送出。换言之,即使电网中有干扰,也会将动态干扰在储能过程中平复,就像波浪翻滚的河水流入水库后就会“偃旗息鼓”,平静下来,而由水库向外提供的水流则是平缓的。谁也不会相信电池向外提供的电流中会有干扰成分。


图13 BOOST电子变压器的工作原理图

综上所述,我们可以明显看出高频机的优越性。实际上,现在的大部分工频机也已经高频化,不采用高频化的工频机,其单相机的输入功率因数不会高于0.7;三相机的输入功率因数在无PFC的情况下也不会高于0.8;几乎所有工频机的逆变器都采用了高频PWM技术,所差的往往就是舍不得舍弃这个输出变压器。实际上,几乎所有的国内UPS生产厂家,在生产工频机的同时还在生产着同容量的高频机,以备万一有一天用户都改用了高频机,可及时推上去,不至于青黄不接。 

5 高频机UPS与工频机UPS的现状 

高频机UPS对技术与工艺以及生产手段的要求非常严格,一般厂家也不容易仿制,高容量的高频机UPS目前只有少数制造厂的技术真正过关,却已显示出强大的生命力。比如秀康10年前就可做到8kHz/480kVA,伊顿9395系列也做到了15kHz/1200kVA,MGE可以做到500KVA,克劳瑞德已经制造出200KVA的高频模块UPS,并可以在容量上通过并联的方式达到1000KVA以上。高频机UPS从98年开始,经过10多年的发展,技术早已成熟,在各行各业已经得到了广泛的使用和认可。

高频机UPS不可靠的说法完全是站不住脚的,目前世界知名UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频机UPS为绝对主力方向,高频机UPS因其负载动态响应速度快,能量密度高,体积小,噪声小,价格低(特别是小机)和输入PF高等技术上的绝对优势,真正代表未来绿色电源的发展趋势。

综上所述,工频机UPS在这种情况下的日子自然会越来越艰难。只是有那么一批厂家,因为自身的高频机UPS技术没有过关,从市场竞争的角度上考虑,还得继续主推工频机UPS,同时作为市场手段多说一些当前用工频机UPS更合适之类的语言,多说一些工频机的好处和多找一些高频机的缺点均属正常现象,这可以理解,大都属于认识问题。甚至在这个过程中,产生了有些折中和稀泥的说法,比如:高频机UPS和工频机UPS是未来两个各自的发展方向。这种说法同样是非常错误的,工频机UPS的低效率,能量浪费,落后的技术是不可能成为UPS未来的发展方向的。技术总是在发展的,新技术代替旧技术是历史的发展规律,即使新旧之间的替代与转换并不是那么顺利,但这是不可逆转的技术发展规律,高频机UPS淘汰工频机UPS是技术发展的必然,相信这一天的到来不会太长。


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