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“工频UPS”与“高频UPS”

2015-10-22

随着UPS技术的不断发展,很多计算机与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,对于大中型UPS来说更是如此。

目前比较流行的大中型UPS结构由原来的老式结构逐渐转向更为合理的新型结构,传统老式UPS的基本结构: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IGBTUPS基本结构:不控整流+DC/DC倍压环节+独立充电器+逆变器。

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拍整流;而高频机的整流是二极管不控整流+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(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,因此在输出端必须有升压变压器做为电压的调整。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。做为UPS的主要功率元件IGBT(InsulateGateBipolarTransistor,绝缘栅双极晶体管)技术不断成熟,无论从容量、结构、或是可靠性都大大地提高了,加之UPS数字化程度的不断深入,促成了新一代大中型UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机(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)。IGBT的全球最主要制造商日本三菱,目前已开发出第六代IGBT,为世界众多品牌UPS所采用。UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小以及重量的下降,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,每个环节都是将压环节: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底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,必须在输出端加入升压变压器,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。并将其做为直流母线,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IGBTUPS。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:

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,通常只能采用附加的输入功率因数补偿环节,如有源滤波器等。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。从根本上解决了对电网回溃干扰的问题。

由于从前的UPS采用GTR做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,因此输出波形不够平滑,需要变压器等大电感元件进行平波。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。

在充电环节上,全IGBTUPS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,只能作到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。

变压器在全IGBT技术UPS中,做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输出一测配置隔离变压器,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端才可完全做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)。