大功率UPS工频机和高频机性能比照.docx

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1、大功率UPS工频机和高频机性能比照ronggang导语：本文通过对大容量工频UPS和高频UPS进展原理分析、拓扑比照、实测数据分析和性能比照，全面总结了大功率UPS工频机和高频机的优缺点和选配原那么摘要：本文通过对大容量工频和高频UPS进展原理分析、拓扑比照、实测数据分析和性能比照，全面总结了大功率UPS工频机和高频机的优缺点和选配原那么。关键词：UPS工频机高频机1工频机和高频机的定义和原理分析1工频机UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。典型的工频UPS拓

2、扑如图1所示。align=center图1典型工频UPS拓扑/align三相沟通电输入经过换相电感接到3个SCR桥臂组成的整流器后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件，控制系统只可以控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断。所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。由于SCR属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的沟通电压比输入电压低。要使输出相电压可以得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变

3、压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300V500V之间，可直接挂接30多节电池，不需要另外增加电池充电器。按整流SCR管数目的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。6脉冲指以6个SCR组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个SCR分别控制，所以叫6脉冲整流。6脉冲整流拓扑如图2所示。align=center图2典型6脉冲拓扑/align12脉冲是指在原有6脉冲整流的根底上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个SCR整流完成，因此又称为12脉冲整流。下列图所

4、示两个3相整流电路就是通过变压器的不同联构造成12相整流电路。align=center图3典型12脉冲整流器示意图/align6脉冲和12脉冲的具体技术分析可参见（大功率UPS6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别）。2高频机高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，和旁路组成。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动信号来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几kHz到几十kHz，甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频，称之为高频UPS。典型的高频机拓扑如图4所示。align=center图4高频UPS拓扑图/align高频UPS整流属于升压整流形式，其输出直流母线的电压一定比

5、输入线电压的峰峰值高，在常规市电情况下一般典型值为800V左右。假如电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数到达67节，这样给实际应用带来极大的限制。因此，一般高频UPS会单独配置一个电池变换器，市电正常的时候电池变换器把800V的母线电压降到电池组电压;市电故障或者超限时，电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。进而实现电池的充放电治理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出相电压可以直接到达220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。2工频机和高频机的性能比照随着电力电子技术的开展和高频功率器件的不断问世，中小功率段的UPS产品正逐步高频化，高频UPS具有功率密度大、体积小、

6、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向中大功率过渡推进的经过中，高频拓扑UPS在使用经过中暴露出一些固有缺点，并影响到UPS的平安使用和运行。1UPS输入缺零线无法正常工作某型号大容量三相高频UPS拓扑如图5所示。align=center图5某型号四桥臂高频机拓扑/align从图5可知，UPS输入是三相四线相线+零线，整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合，零线断开时，假如UPS输出端接不平衡负载，当零点参考点忽然消失，将造成严重的UPS输出零偏故障，进而导致UPS后端负载设备的损坏，输出闪断等重大故障

7、。假如A、B、C、零线同时中断，这种情况往往会发生在市电和发电机切换经过，此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作，在特定工况下电压过零点，非同步切换可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线介入工作，在零线断开时，UPS可以保持正常供电。2零地电压抬升和电池架带电问题。从图4和图5可以看到，大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点。此种构造不可防止的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成负载端零地电压抬高，很难知足IBM，HP等效劳器厂家对零地电压小于1V的场地需求。某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑构造，变换器缺少必

8、要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量，在现场实测数据如图6所示。align=center图6某型号高频UPS电池变换器现场实测数据图/align可以明显看到频率12.5kHz的高频分量，实测电池正极与大地浮置电压为325V，断开电池架接地，电池架与大地间有大于100V的浮置电压。接通电池架与大地，电池架与大地漏电流高达110mA见图6。按照行业标准GB13870.1-93（电流通过人体的效应），50mA的电流就可以致人死亡。该型号UPS在电池架未与大地短接时，人体触摸到电池架有明显被电击的感觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路，造成人体触电。同时，此高频谐波严重干扰了

9、外置的UPS电池单体电压监控系统，使电池电压监控测试仪无法正常工作。3可靠性降低。自1947年底首个晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器SCR，现称晶闸管在晶体管渐趋成熟的根底上问世，至今SCR已历时半个多世纪的开展和革新，耐受高电压，大电流SCR技术已非常成熟，其抗电流冲击才能非常强。SCR是半控器件，不会出现直通，误触发等故障。相比而言，80年代初问世的IGBT绝缘栅双极晶体管有很多优点，其开关频率可在几kHz至几百kHz之间，是目前高频UPS主要功率器件。但是，IGBT工作时有严格的电压、电流工作区域，抗冲击才能有限。在可靠性方面，IGBT一直比SCR差。根据大量的数据统计，采用SCR的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率，前者大约为后者的1/4。工频机通常采用SCR整流器，而高频机多采用IGBT整流器。因此，工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑，并通过了长时间和复杂电网的实际验证。高频大功率UPS存在众多缺点，详见附件。通过以上分析可知，UPS工频机和高频机各有其优缺点。就目前技术开展和成熟度而言，大功率高频机有很多缺点还需要进一步技术优化和晋级。某些厂商推出的大功率高频UPS仍在试用阶段。在可靠性第一原那么下，使用在重要场合的大功率UPS，仍然以工频机为首选。