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          工頻機與高頻機的解析

          2019-11-23 16:38:39 320

          摘要:世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高頻機為主,這與高頻機負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)有很大關系,特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正,真正代表將來綠色電源的發展趨勢。
            
            (1)工頻機:以傳統的模擬電路原理來設計,機器內部電力器件(如變壓器、電感、電容器等)都較大,一般在帶載較大運行時存在較小噪聲,但該機型在惡劣的電網環境條件中耐抗性能較強,可靠性及穩定性均比高頻機強。
            
            (2)高頻機:利用高頻開關技術,高頻機逆變頻率一般在20kHz以上。但高頻機在惡劣的電網及環境條件下耐受能力差,較適用于電網比較穩定及灰塵較少、溫/濕度合適的環境。UPS發展的方向是高頻化、小型化、智能化和綠色化。因為小型化可以節省投資、提高效率、節約空間等。小型化的前提是高頻化,只有高頻化才可實現小型化。小型化的第一個目標就是取消輸入/輸出隔離變壓器。以前由于技術、器件和材料的原因,給UPS加入了輸入/輸出隔離變壓器,使得產品笨重、性能差、耗能大而且價格貴。后來由于新器件的問世,1980年由美國IPM公司首先推出的新方案成功地取消了輸入隔離變壓器,近幾年由于技術的進一步發展和成熟,推出了半橋逆變器變換方案,又成功地取消了輸出隔離變壓器,使UPS的性能又有了很大程度的提高,這就是人們所說的高頻機,它進一步使UPS縮小了體積、改善了性能、減輕了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以國際上的知名公司大都放棄了帶有輸出隔離變壓器UPS的生產。
            
            2、高頻機與工頻機比較
            
            高頻機與工頻機比較而言:尺寸小、重量輕、運行效率高(運行成本低)、噪聲低,適合于辦公場所,性價比高(同等功率下價格低),對空間、環境影響小,相對而言,高頻UPS對復印機、激光打印機和電動機引起的沖擊(SPIKE)和暫態響應(TRANSIENT)易受影響,由于工頻機的變壓器把市電與負載隔離,在市電惡劣的環境下,工頻機比高頻機能提供更安全和可靠的保護,在某些場合如醫療等,要求UPS有隔離裝置,因此,對工業、醫療、交通等應用,工頻機是較好的選擇。兩者的選擇要根據用戶的不同、安裝環境、負載情況等條件權衡考慮。
            
            高頻機不帶隔離變壓器,其輸出中性線存在高頻電流,主要來自市電電網的諧波*、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波*等,其*電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出地電壓低,而且不存在高頻分量,對于計算機網絡的通信安全來講,更加重要。
            
            高頻機輸出沒有變壓器隔離,如果逆變功率器件發生短路,則直流母線(DCBUS)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題。高頻機與工頻機性能比較的指標見下表:
            
            表1高頻機與工頻機性能比較的指標
            
            從以上的比對中可以清晰地看出工頻機在很多方面優于高頻機。對于可靠性要求較高的一些重要、關鍵部位的電源保護方案還應以工頻機為首選。工頻機的特點是簡單,存在的問題是:
            
            1)輸入輸出變壓器尺寸大。
            
            2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大。
            
            3)變壓器和電感產生音頻噪聲。
            
            4)對負載和市電變化的動態響應性能較差。
            
            5)效率低。
            
            6)輸入無功率因數校正,對電網污染較嚴重。
            
            7)成本高,特別對于小容量機型,無法與高頻機相比。
            
            世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高頻機為主,這與高頻機負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)有很大關系,特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正,真正代表將來綠色電源的發展趨勢。
            
            3、電路結構
            
            工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言,工頻機是可控整流,傳統技術最好可做到12相整流;而高頻機的整流是二極管不控整流十IGBT的高頻直流升壓環節。對逆變器而言都是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,目前已經淘汰)。另外,工頻機的輸出變壓器必不可少,由于其整流逆變等環節均為降壓環節,因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節,其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器),對于需要加裝隔離變壓器的現場,高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件,其作用也由原來的必要配置轉變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化,主要是由于元器件的發展,IGBT作為UPS的主要功率元件技術更加成熟,無論從容量、結構,還是可靠性上都大大地提高了,加之UPS數字化程度不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機轉向高頻機(正如當年晶閘管逆變器被大功率晶體管GTR取代,之后又被IGBT逆變器取一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小,質量的減小,而更重要的是電氣性能的提高。
            
            早期大中型UPS主回路結構采用晶閘管整流將輸人的交流電整為直流,蓄電池直接配置在直流母線上,當輸入市電正常時,靠整流晶閘管的調節對蓄電池充電,同時為GTR或ICBT結構的橋式逆變器供電,逆變器將直流逆變為交流,最后經過輸出變壓器的升壓及濾沒提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出,從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中,每個環節都是降壓環節,在此種結構的UPS中,必須在輸出側加入升壓變壓器,將逆變輸出的較低恒定電壓升至合理的輸出范圍,最終提供了恒定的220V/380V輸出。
            
            目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節,將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后,采用IGBT元件組成的DC/DC電路升壓到一個較高的恒定直流電壓,并將其作為直流母線,為蓄電池充電電路及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高經過IGBT高頻逆變調整后,可直接得到恒定的逆變輸出電壓,完全可以省掉輸出升壓變壓器。
            
            在上述的兩種UPS結構中,后者在所有功率環節均采用了IGBT技術,因此此種結構的UPS又為全IGBTUPS。由于數字技術的引入,大大提高了IGBT元件的開關頻率,與前者相比,在很多方面具有顯著的優勢。

           

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