高频机与工频机性能比较

高频机与工频机性能比较

一、工频变压器与高频变压器的架构区别

传统老式结构UPS的基本结构(工频机) 如下,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：

目前比较流行的UPS结构由原来的老式结构逐渐转向更为合理的新型结构,新型全IGBT UPS结构(高频机)如下，基本结构：IGBT整流+DC/DC倍压环节+独立充电器+逆变器：

二、工频机与高频机的性能比较

UPS从工频机向高频机发展是不可逆转的历史必然：

随着高频机硬件电路设计的更加完善，IGBT、MOSFET功率元件技术更加成熟，DSP 数字技术的不断深入，可靠性大大提高，高频机的优越性日益明显体现出来，促成了新一代UPS的主流结构由原来的工频机向高频机转变，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。其主要优越性如下：

A: 效率高：

因高频机的功率器件全部工作在高频开关状态，所以能量的损耗非常小，其效率可以高达90％～95％；MGE GALAXY 5000 UPS在25%负载率下整机效率即可高达92%以上；

工频机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，每个环节都是降压环节，在此种结构的UPS中，必须在输出测加入变压器，将逆变输出的较低恒定电压升致合理的输出范围，最终提供了恒定的220/380V输出，其结果必定导致其整体效率比较低，只有80％～90％。

这里展开说明一下UPS系统效率对用户运行成本的影响（非常可观）：

一套100KVA 1+1 并机的UPS系统，系统效率相差5%，运行10年的电费相差：200KVA ×5%×24小时/天×365天/年×10年×0.6元/KWH(电费)=525600.00元。

也就是说，对一套100KVA 1+1并机的UPS系统而言，10年的运行成本相差有52.56万元。所以大型UPS系统的效率是多么的重要啊！

B: 功率密度高：

因高频机的功率器件全部工作在高频开关状态，能量的损耗非常小，避免使用大的散热片，加之铁氧体等新型磁性元件的应用，UPS的体积小、重量轻，功率密度可以高达30W/in3。例如MGE的G5000 80KVA主机净重仅400Kg，体积：（W×H×D）mm＝710 ×850×1900，而某品牌的工频机净重高达675Kg，体积：（W×H×D）mm＝1200 ×800 ×1600。

C: 输入功率因素高，输入电流谐波小，对电网的污染小：

高频机具有功率因素修正电路（PFC电路），输入功率因素接近于1，输入电流谐波小于5％，对电网的污染非常小。而工频变压器几乎没有PFC电路，输入功率因素一般在0.8左右，输入电流谐波（不选配PFC时）高达30％以上，对电网的污染非常大。

对UPS系统的输入端而言，是否向电网注入谐波，虽然不会影响到本套UPS的负载本身；但是谐波电流注入电网后将严重影响到整个交流电网的安全运行，谐波电流过大会造成低压配电屏中电容补偿柜的补偿电容频繁损坏。对于雷达站和发射台这些敏感类型的负载而言，电网谐波电流是造成信号出现干扰的主要原因。所以，对于大型UPS系统而言，THDI（总谐波电流失真度）是非常重要的指标。

D: 输入电压范围宽：

工频机对电网的要求较高，故输入范围较窄高频机输入范围就很宽。MGE G5000 UPS 输入范围达250~470Vac，更适合中国大陆的市电环境使用。一般工频机的输入电压范围为380V±15%.

E ：保护功能强：

由于硬件电路的不断优化，DSP 数字技术的引入，高频机保护功能非常完善，具有市电&电池模式下输出短路保护，过载保护，过温、充电电压过高保护等。一般工频机最大的弱点是在市电模式下输出短路，UPS 不能进行保护，仍然有非常大的输出电流，会导致UPS 前级空开跳闸，甚至整个供电系统瘫痪；若UPS 前级空开不跳闸，短路时间稍长（一般不超过1分钟）UPS 会炸机，甚至烧毁。下图是某品牌功率为1KVA 的工频机市电短路瞬间的电压&电流波形，CH1为电压波形，CH2为电流波形（电流钩枪10mV/A 档），由下图可以看出，当输出短路时，输出电压为0，但一直有RMS 值为52.6A 的电流流过，此大导致UPS 前级空开跳闸，甚至整个供电系统瘫痪；若UPS 前级空开不跳闸，短路时间稍长（一般不超过1分钟）UPS 会炸机，甚至烧毁。

F: 智能化、两段式充电器，更有利于延长电池的寿命

工频机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。MGE G5000 UPS 先采用恒流充电，然后再采用恒压充电的方式（参见下图），可以实现对电池的快速，精确充电，更有利于延长电池的寿命。

G:完备的监控通讯接口：

MGE GALAXY 5000系列UPS均具有RS232，AS400，RS485等通讯接口，对UPS实现智能化管理，若选配SNMP卡，可以通过Internet国际互联网进行集中监控以及远程控制。而目前一般的工频机的通讯接口种类相对有限。以下附件为我司GALAXY 5000 系列UPS与某一品牌的工频机电性能的比较。

三：几个高频机与工频机误区的澄清

A：高频机容易炸机，可靠性低，特别是带电感性负载时：

这主要是几年前国内高频机技术不成熟，特别是在输出电压精度&输出平衡电压&输出电流的侦测和控制技术（尤其是输出平衡电压及输出电流的侦测及控制技术），输出频率的锁相技术，输出瞬态响应的控制方面有欠缺，导致客户一日被蛇咬，三日怕井绳。随着高频机硬件电路设计的更加完善，IGBT、MOSFET功率元件技术更加成熟，DSP数字技术的

不断深入，高频机的可靠性大幅度提高，平均无故障时间(MTBF)可以达到35万小时以上。MGE产品具有以下特色：

1：选用国际知名的“SEMIKRON”“FUJI”公司生产的大功率IGBT器件，MOTOROLA CPU芯片，确保产品的品质；

2：选择最优化的硬件电路设计，并配合DSP控制技术，对输出电压、平衡电压、输出电流，输入频率的侦测精度和控制速度上有非常大的提高，从而大大提高了UPS的可靠性，主要表现在以下几个方面：

a) 采用千分之一精度的输出电压侦测、反馈硬件电路，并配合DSP进行快速的运算和处理（DSP反应的最快速度为52us），使输出电压精度稳定在380V±1％范围之内；一般工频机的输出电压精度为380V±5％左右；

b) 采用百分之一精度的输出平衡电压侦测、反馈硬件电路，并配合DSP进行快速的运算和处理，使输出平衡电压稳定在100mV范围之内；而早期一般工频机的输出平衡电压（即输出交流电压中的直流电压成分）高达几伏，这也是早期工频机带电感性负载容易损坏的主要原因之一；

c) 采用百分之一精度的输出电流侦测、反馈硬件电路，并配合DSP进行快速的运算和处理，当侦测到UPS输出电流突然大于UPS设定值是，UPS立即进行控制、保护。而一般的工频机如附图一所示没有输出电流侦测和保护的功能，这也是工频机带电感性负载容易损坏的主要原因之一；

d) 采用百分之一精度的市电频率侦测、反馈硬件电路，并配合DSP进行快速的运算和处理，可以确保市电模式下UPS的输出频率完全跟随市电频率，二者的最大相位差控制在100us以内，在电池模式下输出频率精度可以控制在50Hz±0.1%以内，而一般工频机电池模式下输出频率精度在50Hz±0.3%以内。

B: 工频机有输出隔离变压器，高频机没有输出隔离变压器：

首先：变压器在高频UPS中，可作为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；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，可有效抑制共模躁声。

工频机的输出也仅仅是L、N之间接隔离变压器（有些工频机仅仅在输出的L接隔离变压器），其隔离效果并不完善；隔离变压器的位置加在UPS旁路输出与逆变输出的公共输出