德利仕Delishi UPS電源高頻機(jī)與工頻機(jī)特點(diǎn)
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商務(wù) 發(fā)布時間：2016-05-27 13:08:38
摘要：世界知名UPS廠商在技術(shù)選型和將來發(fā)展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高頻機(jī)為主，這與高頻機(jī)負(fù)載動態(tài)響應(yīng)速度快，能量密度高，體積小，噪聲小，價格低(特別是小機(jī))有很大關(guān)系，特別是高頻機(jī)可以做到輸入有源功率因數(shù)校正，真正代表將來綠色電源的發(fā)展趨勢。
(1)工頻機(jī)：以傳統(tǒng)的模擬電路原理來設(shè)計(jì)，機(jī)器內(nèi)部電力器件(如變壓器、電感、電容器等)都較大，一般在帶載較大運(yùn)行時存在較小噪聲，但該機(jī)型在惡劣的電網(wǎng)環(huán)境條件中耐抗性能較強(qiáng)，可靠性及穩(wěn)定性均比高頻機(jī)強(qiáng)。
(2)高頻機(jī)：利用高頻開關(guān)技術(shù)，高頻機(jī)逆變頻率一般在20kHz以上。但高頻機(jī)在惡劣的電網(wǎng)及環(huán)境條件下耐受能力差，較適用于電網(wǎng)比較穩(wěn)定及灰塵較少、溫/濕度合適的環(huán)境。UPS發(fā)展的方向是高頻化、小型化、智能化和綠色化。因?yàn)樾⌒突梢怨?jié)省投資、提高效率、節(jié)約空間等。小型化的前提是高頻化，只有高頻化才可實(shí)現(xiàn)小型化。小型化的第一個目標(biāo)就是取消輸入/輸出隔離變壓器。以前由于技術(shù)、器件和材料的原因，給UPS加入了輸入/輸出隔離變壓器，使得產(chǎn)品笨重、性能差、耗能大而且價格貴。后來由于新器件的問世，1980年由美國IPM公司首先推出的新方案成功地取消了輸入隔離變壓器，近幾年由于技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟，推出了半橋逆變器變換方案，又成功地取消了輸出隔離變壓器，使UPS的性能又有了很大程度的提高，這就是人們所說的高頻機(jī)，它進(jìn)一步使UPS縮小了體積、改善了性能、減輕了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以國際上的知名公司大都放棄了帶有輸出隔離變壓器UPS的生產(chǎn)。
2、高頻機(jī)與工頻機(jī)比較
高頻機(jī)與工頻機(jī)比較而言：尺寸小、重量輕、運(yùn)行效率高(運(yùn)行成本低)、噪聲低，適合于辦公場所，性價比高(同等功率下價格低)，對空間、環(huán)境影響小，相對而言，高頻UPS對復(fù)印機(jī)、激光打印機(jī)和電動機(jī)引起的沖擊(SPIKE)和暫態(tài)響應(yīng)(TRANSIENT)易受影響，由于工頻機(jī)的變壓器把市電與負(fù)載隔離，在市電惡劣的環(huán)境下，工頻機(jī)比高頻機(jī)能提供更安全和可靠的保護(hù)，在某些場合如醫(yī)療等，要求UPS有隔離裝置，因此，對工業(yè)、醫(yī)療、交通等應(yīng)用，工頻機(jī)是較好的選擇。兩者的選擇要根據(jù)用戶的不同、安裝環(huán)境、負(fù)載情況等條件權(quán)衡考慮。
高頻機(jī)不帶隔離變壓器，其輸出中性線存在高頻電流，主要來自市電電網(wǎng)的諧波*、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負(fù)載的諧波*等，其*電壓不僅數(shù)值高而且難以消除。而工頻機(jī)的輸出地電壓低，而且不存在高頻分量，對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信安全來講，更加重要。
高頻機(jī)輸出沒有變壓器隔離，如果逆變功率器件發(fā)生短路，則直流母線(DCBUS)上的高直流電壓直接加到負(fù)載上，這是安全隱患，而工頻機(jī)則不存在此問題。高頻機(jī)與工頻機(jī)性能比較的指標(biāo)見下表：
表1高頻機(jī)與工頻機(jī)性能比較的指標(biāo)
從以上的比對中可以清晰地看出工頻機(jī)在很多方面優(yōu)于高頻機(jī)。對于可靠性要求較高的一些重要、關(guān)鍵部位的電源保護(hù)方案還應(yīng)以工頻機(jī)為首選。工頻機(jī)的特點(diǎn)是簡單，存在的問題是：
1)輸入輸出變壓器尺寸大。
2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大。
3)變壓器和電感產(chǎn)生音頻噪聲。
4)對負(fù)載和市電變化的動態(tài)響應(yīng)性能較差。
5)效率低。
6)輸入無功率因數(shù)校正，對電網(wǎng)污染較嚴(yán)重。
7)成本高，特別對于小容量機(jī)型，無法與高頻機(jī)相比。
世界知名UPS廠商在技術(shù)選型和將來發(fā)展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高頻機(jī)為主，這與高頻機(jī)負(fù)載動態(tài)響應(yīng)速度快，能量密度高，體積小，噪聲小，價格低(特別是小機(jī))有很大關(guān)系，特別是高頻機(jī)可以做到輸入有源功率因數(shù)校正，真正代表將來綠色電源的發(fā)展趨勢。
3、電路結(jié)構(gòu)
工頻機(jī)與高頻機(jī)的概念主要是對整流部分而言，工頻機(jī)是可控整流，傳統(tǒng)技術(shù)最好可做到12相整流;而高頻機(jī)的整流是二極管不控整流十IGBT的高頻直流升壓環(huán)節(jié)。對逆變器而言都是IGBT的SPWM高頻逆變工作方式(除早期的可控硅逆變工作模式UPS，目前已經(jīng)淘汰)。另外，工頻機(jī)的輸出變壓器必不可少，由于其整流逆變等環(huán)節(jié)均為降壓環(huán)節(jié)，因此在輸出側(cè)必須有升壓變壓器作為電壓的調(diào)整。而高頻機(jī)由于具有DC/DC升壓環(huán)節(jié)，其輸出側(cè)不必要加升壓環(huán)節(jié)(升壓變壓器)，對于需要加裝隔離變壓器的現(xiàn)場，高頻機(jī)也可按照要求加裝隔離變壓器選件，其作用也由原來的必要配置轉(zhuǎn)變?yōu)榭蛇x配置。UPS的電氣結(jié)構(gòu)所以發(fā)生了更新變化，主要是由于元器件的發(fā)展，IGBT作為UPS的主要功率元件技術(shù)更加成熟，無論從容量、結(jié)構(gòu)，還是可靠性上都大大地提高了，加之UPS數(shù)字化程度不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結(jié)構(gòu)由原來的工頻機(jī)轉(zhuǎn)向高頻機(jī)(正如當(dāng)年晶閘管逆變器被大功率晶體管GTR取代，之后又被IGBT逆變器取一樣)。UPS電氣結(jié)構(gòu)的更新最直接的效果就是UPS主機(jī)體積的縮小，質(zhì)量的減小，而更重要的是電氣性能的提高。
早期大中型UPS主回路結(jié)構(gòu)采用晶閘管整流將輸人的交流電整為直流，蓄電池直接配置在直流母線上，當(dāng)輸入市電正常時，靠整流晶閘管的調(diào)節(jié)對蓄電池充電，同時為GTR或ICBT結(jié)構(gòu)的橋式逆變器供電，逆變器將直流逆變?yōu)榻涣?，最后?jīng)過輸出變壓器的升壓及濾沒提供純正的交流輸出。從其結(jié)構(gòu)中可以看出，從整流(從交流變?yōu)橹绷?到逆變(在從直流變?yōu)榻涣?的過程中，每個環(huán)節(jié)都是降壓環(huán)節(jié)，在此種結(jié)構(gòu)的UPS中，必須在輸出側(cè)加入升壓變壓器，將逆變輸出的較低恒定電壓升至合理的輸出范圍，最終提供了恒定的220V/380V輸出。
目前較為先進(jìn)的UPS主回路結(jié)構(gòu)采用不控整流加升壓環(huán)節(jié)，將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后，采用IGBT元件組成的DC/DC電路升壓到一個較高的恒定直流電壓，并將其作為直流母線，為蓄電池充電電路及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高經(jīng)過IGBT高頻逆變調(diào)整后，可直接得到恒定的逆變輸出電壓，完全可以省掉輸出升壓變壓器。
在上述的兩種UPS結(jié)構(gòu)中，后者在所有功率環(huán)節(jié)均采用了IGBT技術(shù)，因此此種結(jié)構(gòu)的UPS又為全I(xiàn)GBTUPS。由于數(shù)字技術(shù)的引入，大大提高了IGBT元件的開關(guān)頻率，與前者相比，在很多方面具有顯著的優(yōu)勢。
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