大功率UPS工頻機(jī)和高頻機(jī)性能對(duì)比分析

摘要：本文通過(guò)大容量工頻UPS和高頻UPS進(jìn)行原理分析、拓?fù)鋵?duì)比、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和性能對(duì)比，全面總結(jié)了大功率工頻UPS和高頻UPS的優(yōu)缺點(diǎn)和選配原則。

一、工頻機(jī)和高頻機(jī)的定義和原理分析

UPS通常分為工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種。工頻機(jī)由可控硅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。

典型的工頻UPS拓?fù)淙缦拢?/p>

圖1：典型工頻UPS拓?fù)?/p>

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(dǎo)通角來(lái)調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開(kāi)通點(diǎn)，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門極驅(qū)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，所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低，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。同時(shí)，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過(guò)變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來(lái)的干擾。

同時(shí)，工頻機(jī)的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機(jī)典型母線電壓通常為300V~500V之間，可直接掛接三十幾節(jié)電池，不需要另外增加電池充電器。

按整流器晶闡管數(shù)量的不同，工頻機(jī)通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個(gè)可控硅（晶閘管）組成的全橋整流，由于有6個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖對(duì)6個(gè)可控硅分別控制，所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓?fù)淙缦拢?/p>

圖二、典型6脈沖拓?fù)?/p>

12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線由12個(gè)可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流。

下圖所示兩個(gè)三相整流電路就是通過(guò)變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。

圖三：典型12脈沖整流器示意圖

6脈沖和12脈沖的詳細(xì)技術(shù)分析可參見(jiàn)《大功率UPS 6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區(qū)別》。

高頻機(jī)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)控制加在其門極的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，IGBT整流器開(kāi)關(guān)頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達(dá)上百KHz，相對(duì)于50Hz工頻, 稱之為高頻UPS。典型的高頻機(jī)拓?fù)淙缦拢?/p>

圖2：高頻UPS拓?fù)鋱D

高頻UPS整流屬于升壓整流模式，其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰峰值高，一般典型值為800V左右，如果電池直接掛接母線，所需要的標(biāo)配電池節(jié)數(shù)達(dá)到67節(jié)，這樣給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)極大的限制。因此一般高頻UPS會(huì)單獨(dú)配置一個(gè)電池變換器，市電正常的時(shí)候電池變換器把母線800V的母線電壓降壓到電池組電壓；市電故障或超限時(shí)，電池變換器把電池組電壓升壓到800V的母線電壓。從而實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機(jī)母線電壓為800V左右，所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V，逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

二、工頻機(jī)和高頻機(jī)的性能對(duì)比

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問(wèn)世。中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻UPS有功率密度大、體積小、重量輕的特點(diǎn)。但在高頻UPS功率段向中大功率過(guò)渡推進(jìn)的過(guò)程中。高頻拓?fù)銾PS在使用過(guò)程中暴露出一些固有缺點(diǎn)，并影響到UPS的安全使用和運(yùn)行。

1）零偏故障。

某型號(hào)大容量三相高頻UPS拓?fù)淙缦拢?/p>

圖3:某型號(hào)四橋臂高頻機(jī)拓?fù)鋄!--empirenews.page--]

從圖3可知，UPS主路輸入是三相四線（相線+零線），整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過(guò)IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時(shí)不能斷開(kāi)。當(dāng)A、B、C三相閉合，零線斷開(kāi)時(shí)。如果UPS輸出端接不平衡負(fù)載，當(dāng)零點(diǎn)參考點(diǎn)突然消失，將造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障，進(jìn)而導(dǎo)致UPS后端負(fù)載設(shè)備的損壞，輸出閃斷等重大故障。如果A、B、C、零線同時(shí)中斷。這種情況往往會(huì)發(fā)生在市電和發(fā)電機(jī)切換過(guò)程，此種拓?fù)涞母哳l機(jī)因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作，在特定工況下（電壓過(guò)零點(diǎn)，非同步切換時(shí)）可能造成負(fù)載閃斷的重大故障。而工頻機(jī)因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開(kāi)時(shí)，UPS可以保持正常供電。

2）零地電壓抬升和電池架帶電問(wèn)題。

從圖2和圖3可以看到，大功率三相高頻機(jī)零線會(huì)引入整流器并做為正負(fù)母線的中性點(diǎn)，此種結(jié)構(gòu)不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負(fù)載端零地電壓抬高，很難滿足IBM,HP等服務(wù)器廠家對(duì)零地電壓小于1V的場(chǎng)地需求。

某型號(hào)高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器缺少必要的濾波裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下圖：

可以明顯看到頻率12.5KHz的高頻分量，實(shí)測(cè)電池正極與大地浮置電壓有325V，斷開(kāi)電池架接地，電池架與大地間有100多伏浮置電壓。接通電池架與大地，電池架與大地漏電流高達(dá)110mA。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB13870.1-93 《電流通過(guò)人體的效應(yīng)》），50mA的電流就可以致人死亡。該型號(hào)UPS在電池架未與大地短接時(shí)，人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺(jué)。原因是充電回路中高頻分量通過(guò)人體與大地形成通路，造成人體觸電。同時(shí)，此高頻諧波嚴(yán)重干擾了外置的UPS電池單體電壓監(jiān)控系統(tǒng)，使電池電壓監(jiān)控測(cè)試儀無(wú)法正常工作。

3）可靠性降低。

自1947年底首個(gè)晶體管問(wèn)世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現(xiàn)稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問(wèn)世，至今晶闡管已歷時(shí)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和革新，耐受高電壓，大電流晶闡管技術(shù)已非常成熟，其抗電流沖擊能力非常強(qiáng)。晶闡管是半控器件，不會(huì)出現(xiàn)直通，誤觸發(fā)等故障。相比而言，80年代初問(wèn)世的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）有許多優(yōu)點(diǎn)，其開(kāi)關(guān)頻率可在幾K至幾百KHz之間，是目前高頻UPS主要功率器件。但是，IGBT工作時(shí)有嚴(yán)格的電壓，電流工作區(qū)域，抗沖擊能力有限。在可靠性方面，IGBT一直比晶闡管差。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用晶闡管的整流器故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT整流器的故障率，前者大約為后者的1/4。

工頻機(jī)通常采用SCR整流器，而高頻機(jī)多采用IGBT整流器。因此，工頻機(jī)在可靠性方面優(yōu)于高頻機(jī)。而大功率UPS可靠性是用戶關(guān)注的第一要素。目前市面上銷售的多款國(guó)際知名品牌工頻機(jī)產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑。并通過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間和復(fù)雜電網(wǎng)的實(shí)際驗(yàn)證。

高頻大功率UPS還有諸多缺點(diǎn)，詳見(jiàn)附件：

附：大功率工頻UPS和高頻UPS技術(shù)對(duì)比表：

不可否認(rèn)，高頻UPS有一些優(yōu)點(diǎn)，但目前就技術(shù)發(fā)展和成熟度而言，大功率高頻機(jī)有許多缺點(diǎn)還需要進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化和升級(jí)。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。在可靠性第一原則下，使用在重要場(chǎng)合的大功率UPS，仍然以工頻機(jī)為首選。