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        高頻機與工頻機的區別(UPS電源)

        ■ 高頻機與工頻機的區別( UPS電源) ■ 用戶在購買大功率 UPS的時候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進行選擇的困惑。就UPS廠商方面而言,當然都認為是自己的好,“公說公有理,

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         高頻機與工頻機的區別(UPS電源) 

        用戶在購買大功率UPS的時候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進行選擇的困惑。就UPS廠商方面而言,當然都認為是自己的好,“公說公有理,婆說婆有理”。提供工頻機的廠商說工頻機穩定性和可靠性高;提供高頻機的廠商會說高頻機節省空間,成本相對較低等諸如此類的說法。其實,工頻機和高頻機到底孰優孰劣,很難一概而論,可以說各有利弊。用戶應當在全面認識這兩種UPS機型的基礎上,客觀審視自身的應用和需求,選擇適合自己需要的產品。

         工頻機和高頻機的原理分析

          工頻機和高頻機是按UPS的設計電路工作頻率來區分的。工頻機是以傳統的模擬電路原理設計,由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz,顧名思義叫工頻UPS。高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成。IGBT可以通過控制加在門極的驅動來控制其開通與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在幾千赫到幾十千赫,甚至高達上百千赫,遠遠高于工頻機,因此稱為高頻UPS。

          在工頻UPS電路中,主路三相交流輸入經過換相電感,接到三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓,通過控制整流橋SCR的導通角來調節輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統只能控制開通點,一旦SCR導通之后,即使門極驅動撤消,也無法關斷,只有等到其電流為零之后才能自然關斷,所以其開通和關斷均是基于一個工頻周期,不存在高頻的開通和關斷控制。由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線電壓經逆變輸出的交流電壓比輸入交流電壓低,要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。

          相比而言,高頻UPS整流屬于升壓整流,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線,所需要的標配電池節數需要67節,這樣給實際應用帶來極大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池電壓變換器,市電正常的時候電池變換器把800V的母線電壓降到電池組電壓;市電故障或超限時,電池變換器把電池組電壓升高到800V的母線電壓。由于高頻機母線電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。因此,有無隔離變壓器是工頻機與高頻機在結構上的主要區別。 

         UPS輸出隔離變壓器的作用

          隔離變壓器是利用電磁感應原理,對配電或信號進行電氣隔離的裝置。隔離變壓器在UPS中通常被設計在逆變器的輸出端,可以起到增加UPS性能改善負載端供電質量的作用。通常,UPS的輸出隔離變壓器有以下四大優點:

         降低零地電壓,優化UPS末端供電網絡

          UPS的逆變輸出安裝隔離變壓器可以隔離輸入和輸出之間的電氣連接,從而有效地降低輸出的零地電壓。由于隔離變壓器的副邊繞組采用Y型接法,中性點接地后產生新的零線,從而達到降低零地電壓的目的。事實上,HP、IBM、SUN的小型機因為要保證精密的計算能力與高可靠的數據處理傳輸能力,都會對零地電壓有極高的要求,加裝隔離變壓器可以徹底解決因為零地電壓偏高所造成的一些問題。

         濾除負載端諧波,提高供電質量

          隔離變壓器本身具有電感特性,輸出隔離變壓器可以濾除負載端的大量低次諧波,減少高頻*,并可以使高次諧波大幅度衰減。采用電源隔離變壓器,可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲*,提高設備的電磁兼容性。

         增強過載短路保護能力,保護負載與UPS主機

          由于其自身的特性,隔離變壓器是UPS中工作為穩定的器件。UPS在正常工作過程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會產生反向電動勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的沖擊破壞,具有保護負載與UPS主機的作用。

         “通交流阻直流”,UPS故障時保護負載

          高額UPS的AC/DC變換部分采用高頻化設計,提高了UPS的輸入功率因數(0.98以上)及輸入電壓范圍,DC/AC逆變部分高頻化減少了輸出濾波電感的體積,功率密度大。由于無輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路,BUS母線直流高電壓將加到負載上,危及負載的安全。輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力,可以解決此類問題,在UPS發生故障時能夠使負載安全運行。

         工頻機和高頻機的性能對比

         在可靠性方面,工頻機要優于高頻機

          工頻機采用晶閘管(SCR)整流器,該技術經過半個多世紀的發展和革新,已經非常成熟,其抗電流沖擊能力非常強。由于SCR屬于半控器件,不會出現直通、誤觸發等故障。相比而言,高頻機采用的IGBT高頻整流器雖然開關頻率較高,但是IGBT工作時有嚴格的電壓、電流工作區域,抗沖擊能力較低。因此在總體可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。

         在環境適應性方面,高頻機要優于工頻機

          高頻機是以微處理器作為處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄于微處理器中,以軟件程序的方式來控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環境影響小,因此比較適合于對可靠性要求不太苛刻的辦公場所。正因為如此,許多廠家的中小功率UPS普遍推出了高頻機。

         在負載對零地電壓的要求方面,工頻機要優于高頻機

          大功率三相高頻機零線會引入整流器并作為正負母線的中性點,這種結構就不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上,抬升零地電壓,造成負載端零地電壓抬高,很難滿足IBM、HP等服務器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。另外,在市電和發電機切換時,高頻機往往因零線缺失而必須轉旁路工作,在特定工況下可能造成負載閃斷的重大故障。工頻機因整流器不需要零線參與工作,在零線斷開時,UPS可以保持正常供電。

         結束語

          從結構上講,工頻機UPS和高頻機UPS的差異主要表現在隔離變壓器上,而工頻機對隔離變壓器的使用,在很大程度上提升了UPS的可靠性。從綜合性能方面來講,工頻機和高頻機則各有優劣,至少在當前,不存在誰取代誰的問題。用戶在選購設備的時候應當立足于自身的實際需要,而不是盲目跟從。比如,用戶要建設中大型的數據中心,那么對可靠性和穩定性的要求就應當放在第一位,大功率的工頻機UPS就應當是首選;如果是一般的辦公場所應用,或者主要考慮到設備對空間的占用,則可以采用高頻機UPS。

        高頻機與工頻機的性能比較

         

        工頻機

        高頻機

        外形尺寸、重量、成本

        體積大、比較重、造價高

        體積小、重量輕、造價低

        負載類型

        采用低頻逆變且變壓器耦合輸出,對負載要求不嚴格,能適應阻性、容性、感性等綜合性負載。

        對非線性負載能力較差,不適合沖擊性、感性負載。

        工作頻率

        工頻機由于逆變頻率為50Hz,就不存在射頻干擾問題,適合各種負載。

        高頻機由于逆變頻率為50kHz,不適合要求性能高的負載,因為它有的射頻干擾,很多負載對射頻干擾比較敏感。

        帶載能力

        工頻機輸出功率因素為0.8,1KVA有800W有效功率輸出。

        一般高頻機輸出功率因素為0.7左右,高頻機1KVA只有700W有效功率輸出。

        輸出隔離方案

        工頻機采用低頻整流為兼容電池電壓的總線,逆變器采用工頻變壓器轉換電壓同時利用變壓器的等效電感和輸出電容濾波輸出,這樣,即保證了動態響應和隔離又可以減少各種負載對逆變器的沖擊。

        高頻加輸出隔離方案對沖擊性負載有一個緩沖作用是保護逆變器,但是對動態響應恢復時間(0—100%躍變)范圍失去作用,因為UPS只能保證高頻輸出端的電壓穩定。

        在負載0—100%躍變,而不能保證隔離變壓器的負載壓降和動態恢復時間,同時增加主機的功耗。

        工作原理

        工頻機采用低頻可控整流為兼容電池組電壓的總線,工頻機因采用低頻全橋逆變且變壓器耦合經LC濾波輸出。

        高頻機采用半橋逆變模式通過SPWM變換,輸出端加LC濾波器這種電路需將市電整流(電池電壓)通過高頻升壓到±380V左右雙直流總線,然后高頻逆變輸出。

         

        高頻機與工頻機區別 
        定義
        1、高頻機:利用高頻開關技術,以高頻開關元件替代整流器和逆變器中的工頻變壓器的UPS,俗稱高頻機,高頻機體積小、效率高。
        2、工頻機:采用工頻變壓器作為整流器與逆變器部件的UPS俗稱工頻機,主要特點是主功率部件穩定可靠、過負荷能力和抗沖擊能力強。

           比較

        1、高頻機不帶隔離變壓器,其輸出零線存在高頻電流,主要來自市電電網的諧波干擾、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波干擾等,其干擾電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出零地電壓更低,而且不存在高頻分量,對于計算機網絡的通信安全來講,更加重要。

        2、高頻機輸出沒有變壓器隔離,如果逆變功率器件發生短路,則直流母線(DC BUS)上的高直流電壓直接加到負載上,這是安全隱患,而工頻機則不存在此問題。

        3、工頻機的抗負載沖擊能力較強。

        性能比較表

        序號  

        比較的指標

        高頻機

        工頻機

        1

        過載能力

        一般

        較強

        2

        抗輸入浪涌能力

        一般

        較強

        3

        輸出抗沖擊、短路能力

        一般

        較強

        4

        輸入PF值

        0.99

        0.8

        5

        整機效率  

        85~90%

        75~85%

        7

        零地電壓  

        相對較差有高頻分量

        相對較好

        8

        輸出級元器件   

        9

        功率器件容量 

        10

        故障時器件損壞程度 

        11

        可靠性

        一般

        12

        可維護性  

        較復雜  

        較簡單

        13

        重量     

        較輕

        較重

        14

        體積       

        較小

        較大

        15

        與發電機適應力

        較差



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