山顿ups不间断电源SE15KNTL在线式

不要认为工频UPS永远比高频UPS差,不要认为工频UPS永远都不可能赶上或超过高频UPS,这种成见的看法不利于UPS技术的发展。发表本文的目的是试图改变这种看法,说明工频UPS是可以赶上或超过高频UPS的。两种UPS各有特点,相互促进相互竞争对UPS技术的发展会更有利。比一边倒地只支持某一种UPS要好些。

当前的UPS机型有两种,即工频UPS与高频UPS。两种UPS的主要区别是所用整流器型式的不同,前者用的是多相工频整流器,后者用的是高频开关式整流器。

前两年曾出现过工频与高频UPS之争,多数人支持高频UPS,致使工频UPS从原来的机型变成了不受欢迎的机型。这就迫使喜欢工频UPS的人发奋去研发新的改进方式。我是支持高频UPS的,但我更支持研发新的工频UPS,目的是形成竞争,互相促进,以推动UPS技术的不断发展。

老式工频UPS有三大缺点:一是市电输入功率因数低,二是体积重量大,三是调节特性是非线性的,有位移因数存在。因此对工频UPS的改进就必须从两个方面入手:一是将老式12脉波晶闸管多相相控整流器改成24相自耦变压器整流器,二是采用Boost阻抗源逆变器,用PWMDC/DCBoost变换器取代晶闸管多相相控整流器。经过这两项改进可以使工频整流变压器的体积重量减少85%,使市电输入功率因数提高到0.9994,使控制特性线性化,去掉了位移因数的影响,满足了市电电压波动±30%的控制要求,同时也使UPS的生产成本降低、效率提高。

山顿ups不间断电源SE15KNTL在线式

世界UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为主力方向的，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。

(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。所以上的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、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波等，其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。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UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为主力方向的，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，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，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，终提供了恒定的220V/380V输出。

目前较为的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，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。