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高頻機與工頻機的區別(UPS電源)

■ 高頻機與工頻機的區別( UPS電源) ■ 用戶(hù)在購買(mǎi)大功率 UPS的時(shí)候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進(jìn)行選擇的困惑。就UPS廠(chǎng)商方面而言,當然都認為是自己的好,“公說(shuō)公有理,

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 高頻機與工頻機的區別(UPS電源) 

用戶(hù)在購買(mǎi)大功率UPS的時(shí)候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進(jìn)行選擇的困惑。就UPS廠(chǎng)商方面而言,當然都認為是自己的好,“公說(shuō)公有理,婆說(shuō)婆有理”。提供工頻機的廠(chǎng)商說(shuō)工頻機穩定性和可靠性高;提供高頻機的廠(chǎng)商會(huì )說(shuō)高頻機節省空間,成本相對較低等諸如此類(lèi)的說(shuō)法。其實(shí),工頻機和高頻機到底孰優(yōu)孰劣,很難一概而論,可以說(shuō)各有利弊。用戶(hù)應當在全面認識這兩種UPS機型的基礎上,客觀(guān)審視自身的應用和需求,選擇適合自己需要的產(chǎn)品。

 工頻機和高頻機的原理分析

  工頻機和高頻機是按UPS的設計電路工作頻率來(lái)區分的。工頻機是以傳統的模擬電路原理設計,由晶閘管(SCR)整流器、IGBT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。高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成。IGBT可以通過(guò)控制加在門(mén)極的驅動(dòng)來(lái)控制其開(kāi)通與關(guān)斷,IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾千赫到幾十千赫,甚至高達上百千赫,遠遠高于工頻機,因此稱(chēng)為高頻UPS。

  在工頻UPS電路中,主路三相交流輸入經(jīng)過(guò)換相電感,接到三個(gè)SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓,通過(guò)控制整流橋SCR的導通角來(lái)調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統只能控制開(kāi)通點(diǎn),一旦SCR導通之后,即使門(mén)極驅動(dòng)撤消,也無(wú)法關(guān)斷,只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷,所以其開(kāi)通和關(guān)斷均是基于一個(gè)工頻周期,不存在高頻的開(kāi)通和關(guān)斷控制。由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線(xiàn)電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入交流電壓低,要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。

  相比而言,高頻UPS整流屬于升壓整流,其輸出直流母線(xiàn)的電壓比輸入線(xiàn)電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線(xiàn),所需要的標配電池節數需要67節,這樣給實(shí)際應用帶來(lái)極大的限制。因此一般高頻UPS會(huì )單獨配置一個(gè)電池電壓變換器,市電正常的時(shí)候電池變換器把800V的母線(xiàn)電壓降到電池組電壓;市電故障或超限時(shí),電池變換器把電池組電壓升高到800V的母線(xiàn)電壓。由于高頻機母線(xiàn)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。因此,有無(wú)隔離變壓器是工頻機與高頻機在結構上的主要區別。 

 UPS輸出隔離變壓器的作用

  隔離變壓器是利用電磁感應原理,對配電或信號進(jìn)行電氣隔離的裝置。隔離變壓器在UPS中通常被設計在逆變器的輸出端,可以起到增加UPS性能改善負載端供電質(zhì)量的作用。通常,UPS的輸出隔離變壓器有以下四大優(yōu)點(diǎn):

 降低零地電壓,優(yōu)化UPS末端供電網(wǎng)絡(luò )

  UPS的逆變輸出安裝隔離變壓器可以隔離輸入和輸出之間的電氣連接,從而有效地降低輸出的零地電壓。由于隔離變壓器的副邊繞組采用Y型接法,中性點(diǎn)接地后產(chǎn)生新的零線(xiàn),從而達到降低零地電壓的目的。事實(shí)上,HP、IBM、SUN的小型機因為要保證精密的計算能力與高可靠的數據處理傳輸能力,都會(huì )對零地電壓有極高的要求,加裝隔離變壓器可以徹底解決因為零地電壓偏高所造成的一些問(wèn)題。

 濾除負載端諧波,提高供電質(zhì)量

  隔離變壓器本身具有電感特性,輸出隔離變壓器可以濾除負載端的大量低次諧波,減少高頻*,并可以使高次諧波大幅度衰減。采用電源隔離變壓器,可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲*,提高設備的電磁兼容性。

 增強過(guò)載短路保護能力,保護負載與UPS主機

  由于其自身的特性,隔離變壓器是UPS中工作為穩定的器件。UPS在正常工作過(guò)程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會(huì )產(chǎn)生反向電動(dòng)勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的沖擊破壞,具有保護負載與UPS主機的作用。

 “通交流阻直流”,UPS故障時(shí)保護負載

  高額UPS的AC/DC變換部分采用高頻化設計,提高了UPS的輸入功率因數(0.98以上)及輸入電壓范圍,DC/AC逆變部分高頻化減少了輸出濾波電感的體積,功率密度大。由于無(wú)輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路,BUS母線(xiàn)直流高電壓將加到負載上,危及負載的安全。輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力,可以解決此類(lèi)問(wèn)題,在UPS發(fā)生故障時(shí)能夠使負載安全運行。

 工頻機和高頻機的性能對比

 在可靠性方面,工頻機要優(yōu)于高頻機

  工頻機采用晶閘管(SCR)整流器,該技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀的發(fā)展和革新,已經(jīng)非常成熟,其抗電流沖擊能力非常強。由于SCR屬于半控器件,不會(huì )出現直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言,高頻機采用的IGBT高頻整流器雖然開(kāi)關(guān)頻率較高,但是IGBT工作時(shí)有嚴格的電壓、電流工作區域,抗沖擊能力較低。因此在總體可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。

 在環(huán)境適應性方面,高頻機要優(yōu)于工頻機

  高頻機是以微處理器作為處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄于微處理器中,以軟件程序的方式來(lái)控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環(huán)境影響小,因此比較適合于對可靠性要求不太苛刻的辦公場(chǎng)所。正因為如此,許多廠(chǎng)家的中小功率UPS普遍推出了高頻機。

 在負載對零地電壓的要求方面,工頻機要優(yōu)于高頻機

  大功率三相高頻機零線(xiàn)會(huì )引入整流器并作為正負母線(xiàn)的中性點(diǎn),這種結構就不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線(xiàn)上,抬升零地電壓,造成負載端零地電壓抬高,很難滿(mǎn)足IBM、HP等服務(wù)器廠(chǎng)家對零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。另外,在市電和發(fā)電機切換時(shí),高頻機往往因零線(xiàn)缺失而必須轉旁路工作,在特定工況下可能造成負載閃斷的重大故障。工頻機因整流器不需要零線(xiàn)參與工作,在零線(xiàn)斷開(kāi)時(shí),UPS可以保持正常供電。

 結束語(yǔ)

  從結構上講,工頻機UPS和高頻機UPS的差異主要表現在隔離變壓器上,而工頻機對隔離變壓器的使用,在很大程度上提升了UPS的可靠性。從綜合性能方面來(lái)講,工頻機和高頻機則各有優(yōu)劣,至少在當前,不存在誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。用戶(hù)在選購設備的時(shí)候應當立足于自身的實(shí)際需要,而不是盲目跟從。比如,用戶(hù)要建設中大型的數據中心,那么對可靠性和穩定性的要求就應當放在第一位,大功率的工頻機UPS就應當是首選;如果是一般的辦公場(chǎng)所應用,或者主要考慮到設備對空間的占用,則可以采用高頻機UPS。

高頻機與工頻機的性能比較

 

工頻機

高頻機

外形尺寸、重量、成本

體積大、比較重、造價(jià)高

體積小、重量輕、造價(jià)低

負載類(lèi)型

采用低頻逆變且變壓器耦合輸出,對負載要求不嚴格,能適應阻性、容性、感性等綜合性負載。

對非線(xiàn)性負載能力較差,不適合沖擊性、感性負載。

工作頻率

工頻機由于逆變頻率為50Hz,就不存在射頻干擾問(wèn)題,適合各種負載。

高頻機由于逆變頻率為50kHz,不適合要求性能高的負載,因為它有的射頻干擾,很多負載對射頻干擾比較敏感。

帶載能力

工頻機輸出功率因素為0.8,1KVA有800W有效功率輸出。

一般高頻機輸出功率因素為0.7左右,高頻機1KVA只有700W有效功率輸出。

輸出隔離方案

工頻機采用低頻整流為兼容電池電壓的總線(xiàn),逆變器采用工頻變壓器轉換電壓同時(shí)利用變壓器的等效電感和輸出電容濾波輸出,這樣,即保證了動(dòng)態(tài)響應和隔離又可以減少各種負載對逆變器的沖擊。

高頻加輸出隔離方案對沖擊性負載有一個(gè)緩沖作用是保護逆變器,但是對動(dòng)態(tài)響應恢復時(shí)間(0—100%躍變)范圍失去作用,因為UPS只能保證高頻輸出端的電壓穩定。

在負載0—100%躍變,而不能保證隔離變壓器的負載壓降和動(dòng)態(tài)恢復時(shí)間,同時(shí)增加主機的功耗。

工作原理

工頻機采用低頻可控整流為兼容電池組電壓的總線(xiàn),工頻機因采用低頻全橋逆變且變壓器耦合經(jīng)LC濾波輸出。

高頻機采用半橋逆變模式通過(guò)SPWM變換,輸出端加LC濾波器這種電路需將市電整流(電池電壓)通過(guò)高頻升壓到±380V左右雙直流總線(xiàn),然后高頻逆變輸出。

 

高頻機與工頻機區別 
定義
1、高頻機:利用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù),以高頻開(kāi)關(guān)元件替代整流器和逆變器中的工頻變壓器的UPS,俗稱(chēng)高頻機,高頻機體積小、效率高。
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(chēng)工頻機,主要特點(diǎn)是主功率部件穩定可靠、過(guò)負荷能力和抗沖擊能力強。

   比較

1、高頻機不帶隔離變壓器,其輸出零線(xiàn)存在高頻電流,主要來(lái)自市電電網(wǎng)的諧波干擾、UPS整流器和高頻逆變器脈動(dòng)電流、負載的諧波干擾等,其干擾電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出零地電壓更低,而且不存在高頻分量,對于計算機網(wǎng)絡(luò )的通信安全來(lái)講,更加重要。

2、高頻機輸出沒(méi)有變壓器隔離,如果逆變功率器件發(fā)生短路,則直流母線(xiàn)(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(wèn)題。

3、工頻機的抗負載沖擊能力較強。

性能比較表

序號  

比較的指標

高頻機

工頻機

1

過(guò)載能力

一般

較強

2

抗輸入浪涌能力

一般

較強

3

輸出抗沖擊、短路能力

一般

較強

4

輸入PF值

0.99

0.8

5

整機效率  

85~90%

75~85%

7

零地電壓  

相對較差有高頻分量

相對較好

8

輸出級元器件   

9

功率器件容量 

10

故障時(shí)器件損壞程度 

11

可靠性

一般

12

可維護性  

較復雜  

較簡(jiǎn)單

13

重量     

較輕

較重

14

體積       

較小

較大

15

與發(fā)電機適應力

較差



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