工频UPS与高频UPS概念的辨析.doc

工频ups与高频ups概念的辨析 2009-8-17 11:08:48 作者：张成 来源：ups应用 访问:2530 评论：1 收藏此信息 推荐给朋友 举报此信息 文中从ups发展的历史沿革和拓扑结构,对工频ups与高频ups的概念进行了分析。溯高美索克曼电气公司北京办事处 张 成一直以来,业界对工频ups和高频ups的概念有各种定义,给用户造成了不少混淆。主要的定义方法有以下两种:一是逆变器调制频率论。即逆变器调制频率高于20khz的ups称为高频ups,低于这个频率的ups称为工频ups。这种定义方式经不起推敲的地方在于,如果以逆变器调制频率来定义,那么不仅应该有高频ups,还应该有中频ups。而“工频ups”的说法就师出无名了,因为,目前ups的逆变器调制频率大多为48khz,根本没有以工频(50hz)来调制的。二是整流器调制频率论。这也是最为普遍被接受的一种定义方法。即如果整流器是工频整流(如晶闸管整流),则称为工频机,否则称为高频机。这种定义方法,在一段时间内确实为业内外普遍接受。但随着ups技术的发展,这种定义方法也显现出了其不严谨的地方,无法对现有的ups机型进行准确分类。那么什么才是“高频机”和“工频机”的准确定义呢?1 历史的沿革要对“高频机”和“工频机”进行准确定义,首先必须了解定义本身的历史沿革。1.1 传统工频经典ups静态ups出现于上世纪60年代,其经典的拓扑原理如图1所示。 图1 传统工频ups拓扑图可以看到传统的工频ups由整流器、逆变器、静态旁路、维修旁路、逆变输出变压器组成。这里逆变输出变压器是ups的必要组成部分,其作用是升压。这是因为ups有一个重要的功能就是稳压,而整流、逆变两次变换均为降压环节(功率晶体管的管压降及各种损耗引起),另外还需要考虑市电电压低时,也要保证稳定不变的输出电压,所以ups内部必须有一个环节用于升压,而逆变输出变压器就是用来实现这一功能的。这里有一个很重要的概念:由于ups输出在任何时候都需要输出稳定的电压,因此ups内部必须有一个升压的环节。1.2 高频机概念的出现上世纪90年代之前,没有高频ups和工频ups的称谓问题。高频机的概念出现在90年代后期，这个时候ups技术出现了一次革命，即出现了不带逆变输出变压器的ups。其典型的拓扑结构如图2所示。 图2 高频ups拓扑图通过与传统工频ups的拓扑原理图比较,可以看出这种ups通过在整流部分增加boost斩波器,将整流后的直流提升到ups输出所需的电压,从而省掉了逆变器后面的输出变压器,即以直流升压取代了经典的ups变压器交流升压。这种ups的优点是省掉了逆变器输出变压器,极大地节省了成本,减小ups的占地面积和重量。另外,由于在斩波升压环节增加了功率因数校正功能,使这种ups具有非常好的输入功率因数。国外将这种ups称为transformer-less ups,即无变压器的ups,而将传统工频ups称为transformer ups,即带变压器的ups。而国内则将其称为高频机和工频机,即以整流器的调制频率来区分。无变压器的ups,其整流部分包含高频斩波,故称其为高频机;带变压器的ups为相控整流,故称为工频机。由此可以看出，工频机和高频机概念引入的初衷，是用来区分ups是否带有逆变器输出变压器的。2 歧义的产生在高频机概念出现的初期,其定义基本上还能正确区分两类ups。但随着ups技术的不断发展,以及ups应用环境要求的变化,当初的定义逐渐显现出不严谨性,造成了很多的困惑和混乱。近年来,随着社会供电环境对绿色电源和节能降耗的产品需求不断增加,ups技术有了很大发展,尤其是以高输入功率因数和低谐波输入为目标的整流技术。其中igbt整流器的普遍采用是这一发展趋势的热点。igbt整流器与scr(晶闸管)整流器性能的不同之处主要表现在两点。(1)输入参数的不同。scr(晶闸管)整流器为相控调制,只能工作于工频,输入功率因数较低,输入电流畸变较大。而igbt整流器可通过控制其门极的驱动来控制igbt的开通与关断,开关频率通常在几千赫到几十千赫。通过调制,igbt整流器可以保持输入电流与输入电压相位一致,且输入电流可以接近于正弦波,因而具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。(2)igbt整流器具有升压功能,即igbt整流器的输出直流可以根据需要调节其高低,甚至可以直接升到800v,从而满足ups输出交流电压的要求,而scr(晶闸管)整流没有此功能。几种igbt整流ups的拓扑结构如图3、图4、图5所示。 图3 igbt整流,无输出变压器ups(高频机)图3所示的ups,市电输入经过igbt调制整流,并将直流电压升压至800v左右,直接通过逆变器调制滤波后输出所需的稳定电压。 图4 igbt整流,带输出变压器ups(工频机)图4所示的ups,市电输入经过igbt调制整流,获得直流电压(400500v),经逆变器调制后输出交流电压(310v左右),最后通过输出变压器tr升到所需的稳定电压。 图5 igbt整流+输出隔离变压器ups(高频机)图5所示的ups,是在图3所示ups的输出端增加了一台1:1隔离变压器tr,其igbt整流器同图3所示的ups一样具有升压作用。从拓扑图上可以清楚看到,虽然图4和图5的ups都有输出变压器,但不同的是,图4的变压器是逆变器输出变压器,起升压作用,是ups的一部分;而图5中ups的变压器,没有升压作用,只相当于在一台ups的输出加了一台隔离变压器,属于ups的附属设备。以上三种机型都采用了igbt整流器,整流器也都工作于高频调制状态,那么以上三种机型都是高频机吗?结论显然是否定的。根据前面提到的工频机和高频机概念引入的初衷，图3的ups没有逆变输出变压器，属于高频机；图4的ups带有逆变输出变压器，属于工频机；而图5的ups则是增加了输出隔离变压器的高频机。3 结束语由于ups技术的发展,以整流器的调制频率来定义高频机和工频机,已无法对两类ups进行正确的区分。只有从ups的拓扑结构上,才能对两类ups进行准确分类。从拓扑结构上可以看到,两类ups的最大区别在于升压环节的处理。带变压器的ups,通过变压器在逆变器后端进行交流升压;无变压器的ups,通过直流斩波在逆变器前端进行直流升压。因此,依照上述原则,如果一定要使用高频或工频的概念进行分类,那么更准