UPS工频机与高频机的比较

UPS工频机与高频机的比较
1、高频机与工频机的特点
UPS按设计电路工作频率分为工频机和高频机，工频机和高频机的结构特点如下。

(1)工频机：以传统的模拟电路原理来设计，机器内部电力器件(如变压器、电感、电容器等)都较大，一般在带载较大运行时存在较小噪声，但该机型在恶劣的电网环境条件中耐抗性能较强，可靠性及稳定性均比高频机强。

(2)高频机：利用高频开关技术，高频机逆变频率一般在20kHz 以上。

但高频机在恶劣的电网及环境条件下耐受能力差，较适用于电网比较稳定及灰尘较少、温/湿度合适的环境。

UPS发展的方向是高频化、小型化、智能化和绿色化。

因为小型化可以节省投资、提高效率、节约空间等。

小型化的前提是高频化，只有高频化才可实现小型化。

小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。

以前由于技术、器件和材料的原因，给UPS加入了输入/输出隔离变压器，使得产品笨重、性能差、耗能大而且价格贵。

后来由于新器件的问世，
1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器，近几年由于技术的进一步发展和成熟，推出了半桥逆变器变换方案，又成功地取消了输出隔离变压器，使UPS的性能又有了很大程度的提高，这就是人们所说的高频机，它进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。

所以国际上的知名公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产。

2、高频机与工频机比较
高频机与工频机比较而言：尺寸小、重量轻、运行效率高(运行成本低)、噪声低，适合于办公场所，性价比高(同等功率下价格低)，对空间、环境影响小，相对而言，高频UPS对复印机、激光打印机和电动机引起的冲击(SPIKE)和暂态响应(TRANSIENT)易受影响，由于工频机的变压器把市电与负载隔离，在市电恶劣的环境下，工频机比高频机能提供更安全和可靠的保护，在某些场合如医疗等，要求UPS有隔离装置，因此，对工业、医疗、交通等应用，工频机是较好的选择。

两者的选择要根据用户的不同、安装环境、负载情况等条件权衡考虑。

高频机不带隔离变压器，其输出中性线存在高频电流，主要来自市电电网的谐波干扰、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波干扰等，其干扰电压不仅数值高而且难以消除。

而工频机的输出地电压低，而且不存在高频分量，对于计算机网络的通信安全来讲，更加重要。

高频机输出没有变压器隔离，如果逆变功率器件发生短路，则直流母线(DCBUS)上的高直流电压直接加到负载上，这是安全隐患，而工频机则不存在此问题。

高频机与工频机性能比较的指标见下表：
表1高频机与工频机性能比较的指标
从以上的比对中可以清晰地看出工频机在很多方面优于高频机。

对于可靠性要求较高的一些重要、关键部位的电源保护方案还应以工频机为首选。

工频机的特点是简单，存在的问题是：
1)输入输出变压器尺寸大。

2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大。

3)变压器和电感产生音频噪声。

4)对负载和市电变化的动态响应性能较差。

5)效率低。

6)输入无功率因数校正，对电网污染较严重。

7)成本高，特别对于小容量机型，无法与高频机相比。

世界知名UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为
绝对主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高频机为主，这与高频机负载动态响应速度快，能量密度高，体积小，噪声小，价格低(特别是小机)有很大关系，特别是高频机可以做到输入有源功率因数校正，真正代表将来绿色电源的发展趋势。

3、电路结构
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相整流;而高频机的整流是二极管不控整流十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(除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，因此在输出侧必须有升压变压器作为电压的调整。

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，IGBT作为UPS
的主要功率元件技术更加成熟，无论从容量、结构，还是可靠性上都大大地提高了，加之UPS数字化程度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(正如当年晶闸管逆变器
被大功率晶体管GTR取代，之后又被IGBT逆变器取一样)。

UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小，质量的减小，而更重要的是电气性能的提高。

早期大中型UPS主回路结构采用晶闸管整流将输人的交流电整
为直流，蓄电池直接配置在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流晶闸管的调节对蓄电池充电，同时为GTR或ICBT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没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，每个环节都是降压环节，
在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，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220V/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 电路升压到一个较高的恒定直流电压，并将其作为直流母线，为蓄电池充电电路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，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。

1)晶闸管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馈污染，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UPS的成本，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干扰的问题。

2)由于从前的UPS采用GTR作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，因此输出波形不很平滑或需要变压器等大电感元件平波。

而目前数字化控制的UPS，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。

3)在充电环节上，全IGBTUPS具有更明显的优势。

早期UPS采用蓄电池直接配置直流母线的方法，蓄电池的充电电压只能通过晶闸管整流控制，只能做到恒压限流的传统充电方式，而且充电参数几乎不可改变。

实际上，UPS蓄电池的配置是灵活多样的，对不同容量的蓄电池采取同样的充电参数显然会对蓄电池延寿不利。

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，可实现对蓄电池的精确充电，并可通过数字化控制细化参数设置，做到为每种配置的蓄电池指定最适合的充电方案，达到延长蓄电池使用寿命的目的。

4)变压器在全IGBTUPS中，作为可选配置器件。

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△型输入时，采用输入△/Y变压器可使UPS在△型输人的现场得以应用。

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与输出的电气全隔离，可在UPS输出侧配置隔离变压器，可有效抑制共模噪声。

但需要注意的是，采用晶闸管整流的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侧才可完全做到输入与输出的电气隔离，而晶闸管整流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)。

4 隔离变压器在皿B中的作用
工频变压器的作用
UPS输出的220V正弦波交流电压的峰峰值电压是620V，而一般单相UPS的输入整流电压才为310V(这还不包括一般196V电池的情况)，为了不失真地输出220V正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是650~870V。

由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值，所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用，如图1所示。

图1为蓄电池电压为192V的情况，在中小功率中，为了
节约成本，一般都不将蓄电池电压做得太高，所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。

对中性线的隔离作用
无输出变压器和有输出变压器的UPS的等效电路如图2所示，工频机采用的是全桥变换器，这种变换器输出的不是一根相线和一根申性线，而是两根相线。

但一般的UPS负载要求必须有中性线，如果没有输出隔离变压器，将一根相线硬性接中性线，如图2(a)所示，就会导致UPS的工作不正常。

图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径，负半波也是如此。

从图中可以看出，由于中性线的接入，使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管，而直接流回市电的中性线输入端，在这种情况下，图中用虚线标出的一只整流器和一只逆变功率管就未起作用。

按照正常的工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的各两只开关管，如图2(c)所示，其等效电路如图2(d)所示。

由电路中可以看出，当在输出端增加了隔离变压器后，
就可以在变压器的二次侧(负载输入端)连接市电的中性线，于是就构成了一个可靠的供电系统。

隔离变压器不能隔离干扰和缓冲负载
目前所有UPS的隔离变压器都是为了变压和隔离中性线的目
的而接入的，并没有隔离干扰和缓冲负载突变的功能。

图3给出了这种变压器的结构原理图。

从图中可以看出，变压器的一次侧和二次侧之间都有绝缘层，它们就构成了一个一定容量的电容器C，电容器的容抗和频率成反比关系，频率越高，容抗就越小，也就是说干扰信号的频率越高，这个电容通路就越容易被穿过。

由于一般干扰信号的频率是很高的，可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。

若是较低频率的干扰到来，它就会按照变压器的变比按比例变换过去干扰负载。

正因为变压器并不抗干扰，所以几乎所有UPS都在输入和输出端加有输入/输出滤波器，如图3所示。

同样，该变压器也没有缓冲负载电流突然变化的能力。

根据能量守恒定律，变压器、二次侧之间的能量传递是等量的，即U1I1=U2I2
比如当负载端短路时，一次电流电就会趋向于无穷大，为了平衡负载端的变化，变压器一次侧电流几也会趋向于无穷大。

显然变压器的漏感可阻止电流的突然变化，但因变压器的漏感很小，不足以阻止这种变化，另方面，高频机的输出端照样串有小容量的电感，在这点上二者是等效的，都起不了关键作用。

为了弥补这个不足，所以在所
有UPS的输出端都接有电流传感器，一旦出现过载或短路现象，就用停止逆变器工作的方法来保护。

高频机的变压器
高频机UPS中也有变压器，比如UPS输出交流电压220V时的电
压幅度峰峰值约620V，而UPS中的蓄电池电压一般小功率是1g2V或者更低。

在小功率高频UPS中的整流器和逆变器之间有一个BOOST升压电路，这就是电子变压器。

高频机UPS由于有了这个电子变压器又带来了很多优点：不但可以变压，而且还有输入功率因数校正功能，它可以将输入功率因数校正到接近于1，这是工频变压器所无法实现的；它的抗干扰功能也是工频变压器无法比拟的，这是因为普通电磁式变压器将输入的电压波形没有失真地传递到输出端，所以也将干扰一并送出。

高频机的电子变压器则不然，如图4（a）示的电路是将
输入电压波形进行切割后储能送出：当整流正弦半波电压波形到来时，开关S闭合，电流经电感L和开关S和输入形成回路，如图中实线所示，此时能量储存在电感L中，开关S按照一定的频率开断与闭合，当开关断开后，储存在L中的能量沿虚线方向给二极管VD后的电容
和负载供电，而后再重复下一个同样的周期。

其波形的关系如图4(b)和图4(c)所示。

从图中可以看出，电子变压器取能时，并不将其送
出，而是以静态的形式储存，不取能时再将储存在电感中的能量送出。

换言之，即使电网中有干扰，也会将动态干扰在储能过程中平复。

从上面的讨论已明显看出高频机的优越性，实际上，现在的大部分工频机也己经高频化，不用高频化的工频机，其单相机的输入功率因数不会高于；三相机的输入功率因数在无PFC的情况下也不会高于；几乎所有工频机的逆变器都采用了高频PWM技术。