高频机UPS的优点及其代替工频机UPS的理由

1、高频机UPS的优点及其代替工频机UPS的理由摘要：本文介绍了工频机UPS与高频机UPS的区别，高频机UPS的优点及其代替工频机UPS的理由。并重申了工频机UPS输出变压器的基本作用。 叙词：工频机UPS 高频机UPS 输出变压器 1 引言 信息请登陆:输配电设备网 技术总是在发展的，新技术代替旧技术是历史的发展规律。然而，新旧之间的替代与转换一般并不是那么顺利，人类社会是这样，自然、科技领域也是这样。现在的电子技术已进入数字化时代，这是不可逆转的技术发展规律，各行各业迟早都要集中到这一条路上来。但就某一个时期来说发展是不平衡的，这中间有诸多因素的影响，比如各自的技术发展水平不同，人员对新技术的

2、认识和接受能力不同等等。具体到UPS领域又何尝不是如此。 2 工频机UPS和高频UPS的一般概念 信息来自:输配电设备网 静止变换式工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代，毫无疑问在当时属于尖端技术，几十年间也为电子电器技术领域做出了不朽的贡献，有口皆碑。一般说任何技术的先进性是相对而言，任何先进的产品也有其一定的适用期。随着IT技术的出现与发展，工频机UPS组件暴露出它的缺点，比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等不利因素大大影响了数据中心的可靠性。 信息来自:输配电设备网 在历史发展中总是遵循这样一个规律：每当一种技术阻碍生产力发展时，就会有一种新的技术产生出来将其代替。毫不例外

3、，高频机UPS技术问世了。为了区别以前的UPS，就起了一个高频机UPS的名字。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称作工频机UPS;而这种输入输出电路都工作在20kHz以上且没有的输出变压器的电路就称为高频机UPS。 3 高频UPS比工频机UPS有哪些优点 (1)输入功率因数高 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。 任何容量的高频机UPS的输入功率因数都可做到0.99或以上，谐

4、波电流小于5%，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。 (2)本身功耗小 信息请登陆:输配电设备网在同样指标下，比如要求输入功率因数为0.95以上时，工频机UPS就必须外加谐波滤波器或改为12脉冲整流，就是说前面要增加一个设备，再加上输出变压器，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 信息请登陆:输配电设备网 由于此二者的影响，使得工频机UPS的效率比高频机UPS低5%。在同样100kW的容量时工频机UPS每年要比高频机UPS多消耗5万度电!这在中

5、央号召节能减排的今天具有深远意义。 (3)对外干扰小 信息请登陆:输配电设备网干扰有两种，一种是听得到的机械噪声，一种是听不到的电噪声，这两种噪声工频机UPS都有，形成了对设备和对人的伤害。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。 信息请登陆:输配电设备网而高频机UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵听不到的频率，使工作环境安静下来。又由于高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上，几乎是线性，所以对外干扰几乎为零。 (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)体积小、重量轻工频机UPS由于有输出变压

6、器和适应50Hz的电感电容等低频器件使得体积重量都很大。比如某品牌200kVA工频机 UPS 重1380kg，而同是这一家的250kVA高频机 UPS 重量只有830kg。 (5)全数字技术 信息请登陆:输配电设备网 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，不言而喻，可靠性是很高的。 信息请登陆:输配电设备网 (6)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。 (7)能将并机环

7、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。 信息来自:输配电设备网 总之，高频机UPS在性能上不但能完全替代工频机UPS，而且还增加许多后者没有的特点。 4 UPS输出隔离变压器的作用 能够取消输出隔离变器的理由何在?以往有的认为工频机的变压器具有抗干扰和缓冲负载突变的作用，好像这个变压器是为了这些目的专门为用户设计的。是不是这样

8、呢?回答是否定的。首先，他把变压器当成了电抗器，岂不知电抗器和变压器有着本质的区别。再就是这个变压器是工频机不可分离的构成部分，而且作用也很简单，下面进行讨论。 (1)工频变压器的作用 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650V870V。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电压提升到额定峰值以上才可使用，如图3所示。图中所示为电池电压是192V的情况。在中小功率

9、中，为了节约成本，一般都不将电池电压做得太高，所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器，现在已不作为标配。 图3 输出隔离变压器的升压作用电原理图(2)对零线的隔离作用 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

10、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，当在输出端增加了隔离变压器后，就可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线，于是就构成了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

11、工频机整流/逆变电流途径原理图 (3) 隔离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。从图中可以看出，变压器的初级和次级之间都有绝缘层，他们就构成了一个一定容量的电容器C，电容器的容抗和频率是成反比关系的，即： 图5 UPS变压器电原理图 (1) 式中：XC是变压器初次级间等效分布电容的容抗，单位是;f是干扰信号的频率。单位是Hz;C是变压器初次级间等效分布电容量，单位为F。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

12、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。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： 信息请登陆:输配电设备网 U1I1=U2I2 (2) 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。也许有人会说：变压器的漏感可阻止电流的突然变化，

13、这一来是变压器的漏感很小，不足以阻止这种变化，另一方面，高频机的输出端照样串有小容量的电感，在这一点上二者是等效的，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。 信息来自:输配电设备网 另一方面，如果上述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。 信息

14、请登陆:输配电设备网 图7 非线性负载工作电流图(4) 高频机UPS真的没有变压器吗? 一般认为高频机没有变压器，这是一种误解。实际上在高频机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。比如在小功率高频UPS中的整流器和逆变器之间有一个Boost 升压电路，这就只电子变压器，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，只是人们还不习惯而已。不能以外形如

15、何来定义，又比如电磁炉和微波炉哪一个外形也不像习惯上做饭的炉子;宇宙飞船既没有能飞的翅膀也不像船，但对这些东西，人们已习惯了，也就叫开了。高频机UPS由于有了这个电子变压器又带来了很多好处：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8(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

16、，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8(b)和8(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8 BOOST电子变压器的工作原理图 从上面的讨论已明显看出高频机的优越性。实际上，现在的大部分工频

17、机也已经高频化，不用高频化的工频机，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。所差的就是舍不得舍弃输出变压器。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。当然也有的供应商即使他的UPS已全部中频化，但为了迎合用户对工频机的偏爱胃口，也不得不声称是工频机! 图9给出了一般高频中小功率UPS电路原理方框图。高频机有着工频机无法达到的优越指标，比如输入功率因数可达到0.99，如果前面接发电机，发电机的容

18、量为 (11.5)倍UPS的容量就够了。而对于单相工频机UPS而言，前面发电机的容量至少为5倍UPS的容量;单相高频机UPS允许输入电压的范围可达20%就不错了。单相高频机UPS允许输入电压的范围可达110V 300V， 允许市电波动约±50%而工频机能达到±20%就不错了。高频机UPS不但性能好、可靠性高、价格便宜，而且体积小、重量轻，这些是工频机UPS所无法比拟的。图10所示为市场上的一些高频机UPS外形。 图9 高频机UPS主电路结构原理图 图10 三种模块化结构高频机UPS的外形举例在一些大功率高频机结构UPS中，其输入电路采用的是IGBT“高频整流”电路，在此不作

19、介绍。 当然，有些厂家由于条件的限制，还暂时无法解决高频机内所有的技术问题，还存在一些缺点，但这是UPS发展的方向。在一些发达国家，50kVA以下的UPS几乎已全部为高频机，对工频机UPS的概念好像是已经忘记了。所以国内一些厂家的高频机技术和质量过关只是一个时间问题。 (5)所谓工频机UPS具有隔直流的功能 另外需要提及的是工频机UPS为了延缓销售寿命，在其他性能指标上无法与高频机 UPS抗恒的情况下，还是把希望寄托在输出变压器上，又说什么这个变压器可以隔直流、可以适应电网电压的冲击和变化，等等。 在这里，不要忽略电源的基本功能，UPS是电压源，电压源的基本功能是输出电压动态性能要好，即无论负

20、载在允许范围内如何变化，电压总是稳定的。换言之，理想的电压源输出阻抗为零，就是说在其能力范围内，不论负载需要多大的脉冲电流就必须及时给出，根本不允许变压器对负载进行什么“抵抗”或“缓冲”。 图11 全桥逆变器UPS输出变压器原理图有的就说这个变压器是为了在逆变器功率管损坏时隔断直流电流到负载的通路而加入的。对此说法不妨做一个探讨，看一看变压器是否有隔直流的功能。图11示出了一般变压器的工作情况。首先承认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11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电流，一

21、直到将电池组或导线或绕组烧断为止。换言之，这种电源变压器不能加直流。 图12 全桥逆变器UPS一个功率管开路情况原理图下面就来讨论逆变器功率管损坏情况。逆变器功率管的损坏有两种情况：断开或穿通(短路)。图12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，如图中所示。一个极性就意味着含直流成分，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，以至于将变压器和电池这个回路烧断为止。这个直流电流倒是没有到达负载端，但UPS本身烧了。 再看逆变器一只功率管

22、(比如VT2)穿通(短路)的情况。只要VT4一导通就形成对前面直流电压的短路状态，如图13所示。强大的电流可将VT4瞬间炸毁，如果不是炸断就更危险，它可能会将电池组烧毁。某电子公司就因如此一举烧毁72节100AH电池。在这种情况下也是隔断了直流，同样是把自己给烧毁了。 以上两种情况都是用烧毁UPS本身的代价而保护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。 图13 全桥逆变器UPS一个功率管穿通情况原理图如果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

23、际意义，这才是用户真正需要的。 信息来自:输配电设备网 (6)大功率三相UPS输出变压器具有隔断三次谐波的能力 是的，D-Y连接的三项变压器确实有这个功能，如图14所示。可惜的是这种连接方法消除的是线电压上的三次谐波，而相电压上的三次谐波不能消除，如图14右图所示。相电压是直接变过去的，只是线电压的相位移动了30°，把三次谐波移去了。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，并且还破坏相电压波形而产生三次谐波。因此在这里谈什么消除三次谐波好像没有实用价值。所以工频机UPS输出变压器的基本功能就是变压和产生隔离接地点，其他功能只是想象中的一种美好愿望。 图14 UPS输出三相变压器的连接5 高频机UPS与工频机UPS的现状 因为高频机UPS对技术与工艺以及生产手段的要求非常严格，一般也不容易仿制，20kHz以上的高频机U