ups和高頻ups電源的區(qū)別

時(shí)間：2021-07-09作者：上海全邁智能科技有限公司瀏覽：26

目前UPS的發(fā)展方向是高頻機(jī)型UPS替代工頻機(jī)型UPS，因?yàn)槭紫雀哳l機(jī)型UPS相比工頻機(jī)型UPS來講，不僅取消了笨重的變壓器，在效率方面也是提高了近5%?？墒菄?guó)內(nèi)的現(xiàn)狀就是還有些戶對(duì)高頻機(jī)不太信任，這一方面也是因?yàn)樾麄鞯木壒省Ｔ斐闪似毡橛脩魧?duì)高頻機(jī)的不信任。雖然工頻機(jī)型UPS使用的歷史比較長(zhǎng)，但由于它固有的缺點(diǎn)想真正提高機(jī)房節(jié)能是不太可能實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。

　　技術(shù)總是在發(fā)展的，新技術(shù)代替舊技術(shù)是歷史的發(fā)展規(guī)律。然而，新舊之間的替代與轉(zhuǎn)換一般并不是那么順利，人類社會(huì)是這樣，自然、科技領(lǐng)域也是如此?，F(xiàn)在的電子技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，這是不可逆轉(zhuǎn)的技術(shù)發(fā)展規(guī)律，各行各業(yè)遲早都要集中到這一條路上來，但就某一個(gè)時(shí)期來說發(fā)展是不平衡的，這中間有很多因素的影響，比如各自的技術(shù)發(fā)展水平不同，人員對(duì)新技術(shù)的認(rèn)識(shí)和接受能力不同等等。具體到UPS領(lǐng)域又何嘗不是如此。
　　一、工頻機(jī)UPS和高頻UPS的一般概念

　　靜止變換式工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)70年代，毫無疑問在當(dāng)時(shí)屬**技術(shù)，幾十年間也為電子電器技術(shù)領(lǐng)域作出了不朽的貢獻(xiàn)，*。一般說任何技術(shù)的**性是相對(duì)而言，任何**的產(chǎn)品也有其一定的適用期。隨著IT技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，工頻機(jī)UPS組件暴露出它的缺點(diǎn)，比如體積大、重量大、功耗大和輸入功率因數(shù)低等不利因素大大影響了數(shù)據(jù)中心的可靠性。

　　在歷史發(fā)展中總是遵循這樣一個(gè)規(guī)律：每當(dāng)一種技術(shù)阻礙生產(chǎn)力發(fā)展時(shí)，就會(huì)有一種新的技術(shù)產(chǎn)生出來代替。毫不例外，高頻機(jī)UPS技術(shù)問世了。為了區(qū)別以前的UPS，就起了一個(gè)高頻機(jī)UPS的名字。原來那種輸入輸出都工作在50Hz并且有輸出變壓器的老的電路結(jié)構(gòu)就稱作工頻機(jī)UPS；而這種輸入輸出電路都工作在20kHz以上且沒有的輸出變壓器的電路就稱為高頻機(jī)UPS。

　　二、高頻UPS比工頻機(jī)UPS有哪些優(yōu)點(diǎn)

　　1、  輸入功率因數(shù)高

　　工頻機(jī)UPS一般在200kVA以下的輸入電路都采用了可控硅6脈沖整流，輸入功率因數(shù)不**過0.8，諧波電流有30%之大。如果**接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的容量至少要3倍于UPS功率；如果是單相小功率UPS，發(fā)電機(jī)的容量至少要5倍于UPS功率。

　　但是，任何容量的高頻機(jī)UPS的輸入功率因數(shù)都可做到0.99或甚至以上，諧波電流小于5%，前置發(fā)電機(jī)的容量理論上和UPS功率相同，大大縮減了投資和占地面積等。尤其是對(duì)市電的充分利用具有良好的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

　　2、  本身功耗小

　　在同樣指標(biāo)下，比如要求輸入功率因數(shù)為0.95以上時(shí)，工頻機(jī)UPS就必須外加諧波濾波器或改為12脈沖整流，就是說**要增加一個(gè)設(shè)備，再加上輸出變壓器，就比高頻機(jī)UPS多了兩個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。由于此二者的影響，使得工頻機(jī)UPS的效率比高頻機(jī)UPS低5%。在同樣是100kW的容量時(shí)工頻機(jī)UPS每年要比高頻機(jī)UPS多消耗5萬度電！這在*號(hào)召節(jié)能減排的今天，能源的節(jié)約具有深遠(yuǎn)意義。

高輸入功率因數(shù)下的工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS結(jié)構(gòu)

圖1  高輸入功率因數(shù)下的工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS結(jié)構(gòu)方框

　　3、  對(duì)外干擾小

　　UPS的干擾一般有兩種，一種是聽得到的機(jī)械噪聲，一種是聽不到的電噪聲，這兩種噪聲工頻機(jī)UPS都有，形成了對(duì)設(shè)備和對(duì)人的傷害。電噪聲影響機(jī)器的穩(wěn)定度，機(jī)械噪聲影響人的身心健康，降低工作效率。

　　而高頻機(jī)UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵聽不到的頻率，使工作環(huán)境安靜下來。又由于一般的高頻機(jī)UPS的輸入功率因數(shù)高達(dá)0.99以上，幾乎是線性，所以對(duì)外干擾幾乎為零。

　　4、  體積小、重量輕

　　工頻機(jī)UPS由于有了輸出變壓器和適應(yīng)50Hz的電感電容等低頻器件使得體積重量都很大。比如某品牌200kVA工頻機(jī)UPS重1380kg，而同是這一廠家的250kVA高頻機(jī) UPS 重量只有830kg。

　　5、全數(shù)字技術(shù)

　　工頻機(jī)UPS開始是模擬技術(shù)，現(xiàn)在一般發(fā)展為數(shù)字與模擬相結(jié)合的技術(shù)。模擬技術(shù)的可靠性要比數(shù)字技術(shù)低。而高頻機(jī)UPS技術(shù)是一種全數(shù)字化技術(shù)，不言而喻，可靠性是很高的。

　　6、對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力強(qiáng)

　　工頻機(jī)UPS對(duì)于適應(yīng)輸入電壓±15%的變化已很不易；而高頻機(jī)UPS甚至適應(yīng)輸入電壓±30%以上的變化，這又大大延長(zhǎng)了UPS的電池壽命。

　　7、能將并機(jī)環(huán)流衰減到幾乎為零

　　工頻機(jī)UPS的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián)，而變壓器的直接并聯(lián)較容易產(chǎn)生環(huán)流，而且這個(gè)環(huán)流的路徑暢通無阻，如圖2（a）所示；高頻機(jī)UPS由于沒有輸出變壓器，它們的并聯(lián)如圖2（b）所示，可以看出這里的環(huán)流路徑上處處是障礙，小于2V的電壓差根本形不成環(huán)流，而工頻機(jī)UPS在此情況下就會(huì)形成很大的環(huán)流。
 


兩種UPS并聯(lián)方框圖

圖2  兩種UPS并聯(lián)方框圖

　　總之，高頻機(jī)UPS在性能上不但能完全替代工頻機(jī)UPS，而且還具有很多后者沒有的特點(diǎn)。

　　工頻機(jī)UPS的生產(chǎn)廠商和推銷者為了延長(zhǎng)產(chǎn)品的銷售壽命，在其他性能指標(biāo)上無法與高頻機(jī) UPS抗敵，就把希望寄托在輸出變壓器上，因?yàn)楦哳l機(jī) UPS沒有這個(gè)變壓器，再加之一些用戶缺乏技術(shù)概念，于是就賦予了變壓器很多具有神秘色彩的功能。比如這個(gè)變壓器可以抗干擾、可以緩沖負(fù)載浪涌電流、可以隔直流、可以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的沖擊和變化，等等。

    在這里，不要忽略電源的基本功能，UPS是電壓源，電壓源的基本功能是輸出電壓動(dòng)態(tài)性能要好，即無論負(fù)載在允許范圍內(nèi)如何變化，電壓總是穩(wěn)定的。根本不允許變壓器對(duì)負(fù)載進(jìn)行什么“抵抗”或“緩沖”。
   
全橋逆變器UPS輸出變壓器原理

圖3  全橋逆變器UPS輸出變壓器原理圖

　　有的人就表示，這個(gè)變壓器是為了在逆變器功率管損壞時(shí)隔斷直流電流到負(fù)載的通路而加入的，對(duì)此說法不妨做一個(gè)探討，看一看變壓器是否有阻隔直流的功能。圖3示出了一般變壓器的工作情況。首先承認(rèn)這種變壓器是變換交流電的，如圖中正弦波。/版權(quán)所有）假如不用來變換交流電而是施加直流，如圖2中將電池組開關(guān)S閉合，由于變壓器繞組內(nèi)阻相當(dāng)小（近似于短路）就會(huì)在電池組和變壓器初級(jí)繞組之間形成相當(dāng)大的電流，一直到將電池組或?qū)Ь€或繞組燒斷為止。換言之，這種電源變壓器不能加直流。

　　下面就來討論逆變器功率管損壞情況。逆變器功率管的損壞有兩種情況：斷開或穿通（短路）。圖4示出了UPS全橋逆變器一個(gè)功率管（比如VT2）開路（斷開）的情況。從圖中可以看出，在此情況下的電流路徑只能是一個(gè)方向的，就是說只能輸出一個(gè)極性的半波，如圖中所示。一個(gè)極性就意味著含直流成分，直流電流分量在變壓器初級(jí)繞組中的積累會(huì)使繞組達(dá)到飽和狀態(tài)，就類似于繞組短路，形成很大的電流，以致將變壓器和電池這個(gè)回路燒斷時(shí)才結(jié)束。這個(gè)直流電流倒是沒有進(jìn)到負(fù)載端，但UPS本身燒了。
 
全橋逆變器UPS一個(gè)功率管開路情況原理

圖4  全橋逆變器UPS一個(gè)功率管開路情況原理圖
 

　　再看逆變器一支功率管（比如VT2）穿通（短路）的情況。只要VT4一導(dǎo)通就形成對(duì)**直流電壓的短路狀態(tài)，如圖5所示。強(qiáng)大的電流可將VT4瞬間炸毀，如果不是炸斷就較危險(xiǎn)，它可能會(huì)將電池組燒毀。某電子公司就因?yàn)檫@原因，一舉燒毀了72節(jié)100AH電池。在這種情況下也是隔斷了直流，同樣是把自己給燒毀了。

　　以上兩種情況都是用燒毀UPS本身的代價(jià)而保護(hù)了IT設(shè)備，這對(duì)IT設(shè)備用戶是不是就算是一種福音呢？當(dāng)然不是，因?yàn)椴徽撌菬龤PS還是IT設(shè)備都會(huì)使系統(tǒng)崩潰而無法繼續(xù)工作。

全橋逆變器UPS一個(gè)功率管穿通情況原理

圖5  全橋逆變器UPS一個(gè)功率管穿通情況原理圖

　　如果UPS供電設(shè)備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護(hù)了IT設(shè)備，同時(shí)也保證了本身的安然無恙，這樣的隔直流功能才有實(shí)際意義，這才是用戶真正需要的。

　　在大功率三相UPS中這個(gè)變壓器具有隔斷三次諧波的能力，但必須是D-Y連接，如圖6所示?？上У氖沁@種連接方法消除的是線電壓上的三次諧波，而相電壓上的諧波不能消除，
 
UPS輸出三相變壓器的連接

圖6  UPS輸出三相變壓器的連接
 
　　

　　如圖6右圖所示。再說逆變器本身產(chǎn)生的三次諧波幾乎為零，根本不用到輸出端去消除。而負(fù)載大都用相電壓220V，并且還破壞相電壓波形而產(chǎn)生三次諧波。因此在這里談什么消除三次諧波好像沒有實(shí)用**。

　　工頻機(jī)UPS輸出變壓器的基本功能就是變壓和產(chǎn)生隔離接地點(diǎn)，其他功能只是想像中的一種美好愿望。

　　三、高頻機(jī)UPS與工頻機(jī)UPS的現(xiàn)狀

    因?yàn)楦哳l機(jī)UPS對(duì)技術(shù)與工藝以及生產(chǎn)手段的要求非常嚴(yán)格，一般也不容易防制，20kHz以上的高頻機(jī)UPS容量都小于100kVA，只有少數(shù)制造廠的技術(shù)真正過關(guān)，并且已顯示出強(qiáng)大的生命力。在大功率范圍雖然不能做到20kHz，但可以采用高頻機(jī)結(jié)構(gòu)，比如用IGBT高頻整流（相對(duì)于50Hz而言），頻率一般在15kHz以下，多數(shù)廠家已可做到200kVA，但也有*，比如秀康10年前就可做到8kHz/480kVA，伊頓9395也可做到15kHz/1200kVA，并已成為美國(guó)的軍方*產(chǎn)品。這說明高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)早已成熟。在我國(guó)軍方和金融等重要部門也紛紛采用，并收到了良好的效果。

　　當(dāng)然工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS在這種情況下的日子會(huì)越來越艱難，好在是還有那么一批廠家的高頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS沒有過關(guān)，還得主推工頻機(jī)UPS，作為市場(chǎng)手段多說一些當(dāng)前用工頻機(jī)UPS較合適之類的語言，多說一些工頻機(jī)的好處和多找一些高頻機(jī)的缺點(diǎn)均屬正?，F(xiàn)象，這可以理解，也可能是認(rèn)識(shí)問題。但不要認(rèn)為工頻機(jī)UPS技術(shù)永遠(yuǎn)不落后。從科學(xué)發(fā)展觀來說，以后一段時(shí)間內(nèi)無疑是高頻機(jī)UPS的市場(chǎng)。不可否認(rèn)，高頻機(jī)UPS同樣也有退出歷史舞臺(tái)的一天，當(dāng)然那是后話。

　　四、所謂兩個(gè)發(fā)展方向

　　現(xiàn)在有一種說法：高頻機(jī)UPS和工頻機(jī)UPS是兩個(gè)發(fā)展方向。這就使人糊涂了：

難道效率低的產(chǎn)品也是發(fā)展方向？難道部考慮節(jié)能減排了嗎？ 
難道耗費(fèi)資源和笨重的產(chǎn)品也是發(fā)展方向？


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