UPS行业工频与高频区别

单击此处编辑母版标题样式第二级第三级UPS工频与高频区别第四级第五级厦门科华恒盛股份有限公司多年的运行实践表明：“高频机”型UPS的故障率总是高于“工频机”型UPS的故障率。

为此，我们有必要探讨其真正的原因何在？一、工频型UPS工作模式对于工频机型UPS而言，它采用的是可控硅整流器和IGBT逆变器+内置隔离变压器的设计方案，它通过可控硅型的整流滤波器将输入的380Vac交流电源变换成400Vdc的直流高压，并在此基础上，再经由IGBT逆变器+输出隔离变压器所组成的调控电路，向外输出220Vac逆变器电源，在这里，输入电源的N线是与UPS中的整流器和逆变器的控制电路处于完全的“电隔离”状态。

这就意味着：在这种工频机型UPS的运行中，产生于UPS内部的任何脉宽调制型的干扰均不会串入到UPS供电系统的N线上。

与此同时，可能来自于供电系统的N线上任何干扰也不会影响UPS的正常运行。

一、工频型UPS和高频型UPS工作模式图一，工频机与高频机器工作原理图1中显示的是“工频机”型UPS和“高频机”型UPS的控制框图。

要特别说明的是UPS近几十年的运行经验表明，不仅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且带内置隔离变压器的工频型UPS，还显示出它具有抗高频干扰能力强、抗过载能力强、能有效降低零地电压、高可靠性的明显优势。

对于它的输入电谐波含量的THDI 值偏大的弱点，我们可以通过采用如图2a所示的12脉冲整流图1高频机与工频机“领地电压”的对比技术的方法予以克服，从而使UPS输入电流的谐波含量THDI<4%。

对于高频机型UPS而言，它采用的是升压型(boost)的脉宽调制IGBT整流器和IGBT逆变器设计方案。

在这里，通过IGBT整流器将输入380Vac电源变换成±400Vdc的直流高压(直流电压的绝对值=800Vdc)，并在此基础上，经IGBT逆变器向外输出220Vac的逆变器电源。

采用IGBT整流器设计方案所带来主要好处有：一、高频型UPS优点(1)改善了UPS的输入谐波特性：使得UPS的输入功率因数PF>0.99，输入电流的谐波含量的THDI<3%;(2)有利于降低成本：由于它可以直接利用从“倍压型”IGBT整流器所输出的±400Vdc直流高压电源来确保它的IGBT逆变器，能向外输出幅值为220Vac的交流电源，因此，可“省掉”逆变器的输出隔离变压器。

然而，对于这种高频机型的UPS而言，它在获得上述好处的同时，却是以牺牲它的可靠性为代价的。

这是因为，为了使得从这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，就必须要将它输入电源的N线，同位于UPS整流器中±400Vdc的直流高压的“参考零电位”点相连，这样一来，就会带来如下种种“潜在”的故障隐患：1、IGBT整流器的可靠性偏低：(1)同工频机型UPS中SCR整流元件的过载能力(其典型值为：10In、20ms)相比，高频机型UPS中IGBT 整流元件的过载能力(其典型值为：10In、20us)小1000倍左右;(2)由于至今仍未能为高频机中IGBT整流器所用的高频“升压电感”找到具有大磁通量的磁性材料，导致该电感的温升偏高(典型值：100℃—130℃)。

在实际工作中，我们会发现：高频机型UPS的输出功率越高，其故障率也越高的现象。

这是因为UPS的标称输出功率越大，其“升压电感”温升越高的缘故。

正因为如此，导致UPS产业迟迟未能制造出可靠性足够高的大功率高频机型UPS。

•2、存在严重的”零偏故障”隐患：•对于高频机型的UPS而言，它会产生一种在其它UPS机型中不会出现的特殊的所谓“零偏故障”隐患。

其故障现象表现为：在UPS的输入电源的上游侧，一旦遇到：因故需要通过大功率的ATS开关来执行优先电源与备用电源之间的切换操作时，易于导致在UPS供电系统的输出端上，出现输出“闪断”故障(>8ms以上的“供电中断”)，从而导致在数据中心机房中出现长达几十分钟到几小时的”瘫痪”事故。

•1、如前所述，为了使这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，必须要将它输入电源的N线同位于UPS整流器中的±400Vdc直流高压的“参考零电位”点相连。

这样一来，在UPS的运行中，一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输送到逆变器输入端上，原本是正极性和负极性幅值相等的对称的直流电源“瞬间”变成正极性和负极性幅值不相等的不对称的直流电源。

此时，如果在它的直流母线上所产生的这种“直流偏置量”过大的话，对逆变器来讲意味着它就会进入“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”的故障工作状态。

在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达5—6倍的单极性的励磁浪涌流(见图2)。

•2、如前所述，为了使这种UPS所输出的正弦波形的交流电源的正半波和负半波的幅值相等，必须要将它输入电源的N线同位于UPS整流器中的±400Vdc直流高压的“参考零电位”点相连。

这样一来，在UPS的运行中，一旦遇到输入电源N线上出现瞬态的、单极性的直流偏置电压时，就会导致输送到逆变器输入端上，原本是正极性和负极性幅值相等的对称的直流电源“瞬间”变成正极性和负极性幅值不相等的不对称的直流电源。

此时，如果在它的直流母线上所产生的这种“直流偏置量”过大的话，对逆变器来讲意味着它就会进入“瞬间DC过压”和“瞬间DC欠压”的故障工作状态。

在此条件下，极易导致UPS产生输出“闪断”故障，并能导致在N线上产生这种“瞬态直流偏置”故障的原因之一：当因故对大功率的变压器执行“合闸”操作时，就会产生幅值高达5—6倍的单极性的励磁浪涌流(见图2)。

•3、“零地电压”偏高：•来自脉宽调制IGBT整流器和脉宽调制IGBT逆变器的高频PWM 型的干扰电压将会以幅值较高的“零地电压”的形式，通过N线被直接和同时地“反馈”到UPS输入供电系统和输出供电系统中的N 线上，从而危害数据中心机房以及其它用电设备的安全运行。

这种“零地电压”型干扰源的典型运行参数值为，幅值为1.8V—5V左右的10KHz—16KHz的高频电压。

通过数据中心机房的运行表明：为确保IT设备的安全运行，供电系统的“零地电压”应该小于1.5V。

•4、电池供电时，高频机型UPS的效率偏低：•图2各种UPS的输出电源的零线对地线电压的对比•如图2b所示，当高频型的IGBT整流器因故进入自动关机状态(例如：输入电源停电、整流器出故障)，工作电压较低的电池组需经DC变换器进行升压处理后，变换成逆变器所需的±400Vdc直流高压，为此会导致UPS的运行效率下降2%左右。

•5、采用”外置隔离变压器”设计方案的故障隐患：•为了解决高频机型UPS的“零地电压”偏高的问题，可供选择的技术途径之一是：在UPS供电系统的输出端配置“外置隔离变压器”。

如图3所示，我们的确可以利用该“外置隔离变压器”来向位于机房中的IT设备提供完全满足IT设备技术需求的高品质电源。

然而，对于这样的供电系统而言，它仍然存在如下的两种故障隐患：•(1)UPS输入电源供电系统的“零地电压”仍然偏高，如图3所示，来自高频机型UPS“零地电压”型的共模干扰，仍然被馈送到位于UPS输入侧的其它用电设备的输入端上，继续危害这些用电设备的安全运行。

这是因为，这种“零地电压”型的共模干扰，已经“污染”了UPS输入上游侧的全部输入电源的缘故。

•“高频机”型UPS冗余并机系统+外置输出隔离变压器的UPS供电系统的运行特性•(2)存在烧毁IT设备的故障隐患：•对于采用高频机型UPS+外置隔离变压器设计方案的用户来说，在他们UPS供电系统的运行中，一旦因故出现输出停电或闪断故障(供电中断时间>8ms以上)时，就会导致出现如下的事故现象：•(a)当在“外置隔离变压器”的输入端上出现断电故障时，必然会在它的输出端产生幅值很高的“反激型的瞬态尖峰高压”。

这种瞬态高压的幅值足以烧毁IT设备。

这样惨痛的事故和案例，已在多处数据中心机房中出现过。

•(b)当在“外置隔离变压器”的输入端上，突然恢复供电时，就会在UPS的输出端(变压器的输入端)上，产生5—6倍于它的额定工作电流的励磁浪涌电流，从而对UPS供电系统的安全运行带来巨大的威胁。

例如：对于采用由400KVA“4+0”型UPS并机系统+1600KVA“外置隔离变压器”设计方案的UPS供电系统而言，此时在UPS并机系统的输出端所可能产生的励磁浪涌电流的幅值高达13500A左右，从而导致并机系统进入“严重过载”状态。

由此所带来的恶果是，UPS并机系统的输出电压急剧下降，并转入由普通市电供电的交流旁路工作状态。

•与此相反，对于选用带“内置隔离变压器”UPS的用户而言，则可完全KEYI消除掉这种故障隐患。

所以，从某种意义上讲，由于他们能为IT 设备的安全运行创造出优良的运行环境，从而可以极大地提高其数据中心机房的可维护性，并能避免在今后工作中遇到种种不必要的麻烦。

基本上述原因，我认为，对于关键数据中心的UPS供电系统而言，宜优选带输出隔离变压器的UPS产品。

•6、带隔离变压器的UPS具有更优异的抗”冲击性”负载的能力：•凡是熟悉UPS常用负载的用户都知道，由于电力电子学的迅猛发展，它所带的绝大多数都是整流滤波型非线性负载。

当UPS后接负载为不带输入功率因数校正功能(PFC)的PC电脑或DCS型的工控设备时(图4)，UPS输出端的负载电流为峰值比(CF)高达3.3：1的冲击性电流。

在此条件下，将导致在UPS输出电流中出现大量的谐波电流，它的电流谐波含量THDI值高处73.5%，其最大的电流谐波分量为3次电流谐波分量。

此时的3次电流谐波分量的THDI值=53.2%。

对于这样的负载而言，从UPS所输出的正弦波形的电压波，在大多数的时间内，它的负载电流均为零。

•6、带隔离变压器的UPS具有更优异的抗”冲击性”负载的能力：•这就意味着：在此期间内，从UPS所输出的能源并未被利用，仅在非常靠近正弦形电压波的峰值处的几毫秒内，UPS才真正在向负载提供能量。

这样一来，如果我们直接利用高频机型的UPS来带这种负载时，对于有效值仅为6.06A的非线性负载而言，需要为高频机型UPS逆变器的IGBT功放管，提供峰值高达20A的“冲击性”电流。

相比之下，对于50Hz的正弦波电流而言，它的峰值电流仅为8.5A左右。

由此可见，其峰值电流增大了2.4倍左右，而且还会使IGBT功放管的瞬态温升增高5.5倍左右。

这是因为，IGBT功放管的瞬态温升是正比于峰值电流的平方。