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            深圳市寶應隆電機制造有限公司
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            高頻機UPS與工頻機UPS原理及優劣勢分析
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            UPS是計算機機房的主要組成部分之一,在機房系統中,電源是最基本的要求,沒有了電就沒有了一切,作為系統運行基本保障的UPS也就成了重中之重,是基礎設施中的基礎。近年來,隨著計算機、通信和IT技術的飛速發展以及局域網、廣域網和互聯網的普遍實施,作為電源基礎建設中的UPS的市場需求,在各行業中呈現出快速增長的勢頭。同時,隨著機房系統的安全性要求的提高,用戶對所使用UPS本身的性能和可靠性也同樣提出了更高的要求。

            然而,近年來由于UPS行業的特殊性,很多用戶在選擇和使用UPS中存在很多不清楚的地方,在UPS一些基本概念上依然存在不少的問題,嚴重影響了UPS的合理選用。例如:有些用戶受一些錯誤概念的誤導,不能正確弄清楚工頻機UPS和高頻機UPS的原理和區別,仍然堅持認為工頻UPS比高頻UPS好,甚至在招標中將工頻UPS寫入標書強制要求,于是就進入了選擇UPS產品的誤區,在日后UPS的使用中,也就給自己埋下了隱患,難免給工作造成損失。

            目前,數據中心能源供電系統的選擇是以節能減排這個基本國策作為前提,UPS發展的方向將是高頻化、小型化、智能化和綠色化,這個發展方向可以大幅度的節省投資、提高效率、節約空間,高頻UPS由于其技術性能上的明顯優勢,代表了UPS發展技術的最新水平,符合綠色環保低碳的世界潮流,將全面開始淘汰工頻UPS,最終在市場上形成高頻UPS一統天下的局面。

            1980年,美國IPM公司推出UPS結構新方案,第一次成功地取消了傳統UPS輸入隔離變壓器,而后幾年又由于技術的進一步發展,半橋逆變器變換方案的成熟運用,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,傳統意義上的高頻機就此誕生,它進一步使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。

            隨著UPS技術的不斷發展,很多計算機、電力電子領域的新技術、新理念引入到UPS行業。與IT行業的其他產品類似,現在的UPS與從前的產品相比較,無論在主要性能上、外觀尺寸上、對現場環境的適應性及可靠性方面,都有了顯著的進步,有些指標甚至是質的飛躍。目前,國際上知名的UPS公司大都放棄了帶有輸出隔離變壓器UPS的生產,改為生產高頻機UPS。隨著全IGBT高頻機UPS歷經10多年的發展,技術和產品越來越成熟,市場上所謂的“工頻機”UPS已到了昨日黃花,該考慮退路的時候了。目前在國外已沒有了所謂“工頻機”這個概念,我國之所以還存在著一些工頻機的廠家和產品,這完全依賴于某些用戶對新事物的不敏感和對老產品盲目的懷舊和眷戀。

            2 工頻機UPS和高頻機UPS的原理

            工頻機結構UPS技術出現在上個世紀70年代,幾十年間為電子電器技術領域做出了不朽的貢獻,有口皆碑。然而,隨著IT技術的出現與發展,在目前的應用中,工頻機UPS逐步暴露出它的缺點:體積大、重量大、功耗大和輸入功率因數低等,這些不利因素大大影響了數據中心的可靠性。

            習慣上,我們將原來那種輸入輸出都工作在50Hz并且有輸出變壓器的老的電路結構的UPS稱作工頻機UPS;而將輸入輸出電路都工作在20kHz以上且沒有輸出變壓器的電路結構的UPS稱為高頻機UPS。

            傳統老式結構UPS的基本結構(工頻機)如下,基本結構:

            可控硅整流+電池直接直流母線+ IGBT逆變器+升壓變壓器



            新型全IGBT UPS結構(高頻機)如下,基本結構:

            不控整流+DC/DC倍壓環節+獨立充電器+逆變器。


            從圖中可以看出,工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言,工頻機是可控整流,傳統技術最好可做到12脈沖整流;而高頻機的整流是二極管不控整流/IGBT+IGBT的高頻直流升壓環節。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,目前已經淘汰)。另外,工頻機的輸出變壓器必不可少,由于其整流逆變等環節均為降壓環節,因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節,其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器),對于需要加裝隔離變壓器的現場,高頻機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變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化,主要是由于元器件的發展,IGBT作為UPS的主要功率元件技術上更加成熟,其容量、結構和可靠性都遠遠高于SCR,隨著UPS數字化程度地不斷深入,新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機逐步轉向高頻機(正如當年可控硅逆變器被大功率晶體管GTR取代,之后又被IGBT逆變器取代一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小,重量的下降,而更重要的是電氣性能的提高。

            下面具體分析兩種結構UPS的電氣原理及電氣性能:早期大中型UPS主回路結構采用可控硅整流將輸入的交流電整為直流,電池直接掛在直流母線上,當輸入市電正常時,靠整流可控硅的調節對電池充電,同時為GTR或IGBT結構的橋式逆變器供電,逆變器將直流逆變為交流,最后經過輸出變壓器的升壓及濾波,提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出,從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中,每個環節都是降壓環節:可控硅整流是為了提供恒定的直流電壓而采取的一種整流方式(可通過可控整流的導通角調整來適應輸入電壓變化,確保輸入交流電壓變化時整流輸出直流電壓的恒定),由于可控硅整流只能斬掉一部分輸入電,所以其恒定輸出電壓的代價是將輸出電壓恒定在低于全波整流輸出電壓的某個數值上。而逆變環節同樣是一個降壓環節,從可控整流輸入來的直流電在通過逆變器逆變出交流的過程中同樣采用的是斬波的做法,其結果同樣是輸出電壓等級的再次降低。正是由于上述的原因,在此種結構的UPS中,必須在輸出測加入升壓變壓器,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220/380V輸出。

            目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節,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電路直流升壓到一個較高的恒定直流電壓(與可控硅整流的效果相反,通過這種IGBT整流可以得到一個高于全波整流輸出電壓的恒定直流電。并將其作為直流母線,為電池充電電路(充電電路也采用IGBT充電技術,可實現電池直接掛母線方式所無法作到的充電效果)及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高,經過IGBT高頻逆變調整后,可直接得到恒定的逆變輸出電壓。此時無須在加一個升壓環節,完全可以省掉輸出升壓變壓器。

            在上述的兩種UPS結構中,后者在所有功率環節均采用了IGBT技術,因此此種結構的UPS又為全IGBT UPS。由于數字技術的引入,大大提高了IGBT元件的開關頻率,與前者相比,在很多方面具有顯著的優勢。

            3 高頻UPS比工頻機UPS的優點

            (1)輸入功率因數高

            可控硅整流的最大缺點就是對電網的干擾問題,由于輸入斬波產生的回潰污染,通常只能采用12脈沖+無源濾波器,或者采用附加的輸入功率因數補償環節,如有源濾波器等來解決。但這些方案不但增加了購買UPS的費用,同時效果也不理想,無形中又增加了一個故障點。而新型的全IGBT整流可輕易地將功率因數提高到接近1,諧波電流小于5%,從根本上解決了對電網回潰干擾的問題。同時在前段配置發電機時,前置發電機的容量理論上和UPS功率相同,大大縮減了投資和占地面積等。尤其是對市電的充分利用具有良好的經濟意義和社會意義。

            而工頻機UPS一般在200kVA以下的輸入電路都采用了可控硅6脈沖整流,輸入功率因數不超過0.8,諧波電流有30%之大。如果前置發電機,發電機的容量至少要3倍于UPS功率;如果是單相小功率UPS,發電機的容量至少要5倍于UPS功率。

            (2)本身功耗小 

            在同樣指標下,比如要求輸入功率因數為0.95以上時,工頻機UPS就必須采用12脈沖整流+無源濾波器的工作方式,或者采用6脈沖整流+有源濾波器的工作方式,也就是說前面要增加一個設備,再加上輸出變壓器,這就比高頻機UPS多了兩個環節,如圖1所示。



            圖1 高輸入功率因數下的工頻機UPS和高頻機UPS結構方框圖

            由于此二者的影響,從而使工頻機UPS的效率比高頻機UPS普遍低5%左右。在同樣200kW的容量時工頻機UPS每年要比高頻機UPS多消耗10萬度電!這嚴重不符合目前綠色環保,節能減排的基本國策。

            (3)體積小,重量輕,對外干擾小

            由于從前的UPS采用GTR作為逆變輸出功率元件,因此其開關特性較差,即使采用了IGBT元件,由于控制上沒有相應的改善,其開關頻率也較低,因此輸出波形不很平滑,或需要變壓器等大電感元件平波。而目前的UPS數字化控制,逆變輸出的開關頻率非常高,因此輸出波形平滑,無須較大的電感元件,更可省掉變壓器,從而使得高頻機UPS的體積和重量大幅度得以降低,比如某品牌200kVA工頻機UPS重1380kg,而同是這一品牌的250kVA高頻機 UPS 重量只有830kg。

            UPS對外干擾有兩種,一種是聽得到的機械噪聲,一種是聽不到的電噪聲,電噪聲影響機器的穩定度,機械噪聲影響人的身心健康,降低工作效率。這兩種噪聲工頻機UPS都同時產生,形成了對設備和對人的雙重傷害。

            而高頻機UPS由于其工作頻率在20kHz以上,而20kHz是人的耳朵無法聽到的頻率,從而使工作時噪音大幅度降低,同時由于高頻機UPS的輸入功率因數高達0.99以上,對于上游幾乎是線性,所以對外干擾幾乎為零。

            (4)全數字化技術

            工頻機UPS開始是模擬技術,現在一般發展為數字與模擬相結合的技術。模擬技術的可靠性要比數字技術低。而高頻機UPS技術是一種全數字化技術,可靠性遠遠高于工頻機UPS。

            首先,高頻機UPS的輸入部分取消了用于與市電隔離的工頻變壓器或為降壓用的自耦變壓器,而采用SPWM技術實現整流高頻化(AC/DC)。一方面減少直流側濾波器尺寸,改善直流側調節性能,提高市電電壓允許變化范圍;另一方面在控制技術中很多采用數字信號處理器DSP控制,使輸入電流正弦化,并與市電電壓相同,從而實現UPS高輸入功率因數(PF約為1),消除對市電的諧波“污染”,大幅度減少無功損耗,明顯降低了運行成本,達到環保的目的。

                其次,高頻機UPS取消了UPS逆變器中的工頻變壓器,用高頻變壓器來實現UPS與市電的隔離,而UPS的輸出級采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率IGBT工作頻率在20kHz以上,因此輸出濾波器小而簡單,而且輸出的正弦波非常光滑。

                再次,對于UPS內部的蓄電池組高頻機UPS采取高頻變化降壓方式(DC/DC)充電,當市電停電,UPS轉換為蓄電池,給逆變器供電時亦采取高頻變換降壓方式(DC/DC)實現。 

                最后,高頻機UPS在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術,使其調節高速化,遠遠優于傳統模式模擬反饋技術,再加上小的輸出濾波器和20kHz以上的SPWM調制,使UPS動態相應特性非常好。在逆變器保護電路中采用性能優良的過流保護技術,使逆變器不僅具有較強的過載能力,允許100%負載不平衡(指三相逆變器),而且具有強有力的自身保護。

            (5)充電控制方式優異

            在充電環節上,全IGBT UPS具有更明顯的優勢。早期UPS采用電池直接掛直流母線的做法,電池的充電電壓只能通過可控硅整流控制,采用恒壓限流的傳統充電方式,而且充電參數幾乎不可改變。而實際上,UPS電池的配置是靈活多樣的,對不同容量的電池采取同樣的充電參數顯然會對電池延壽不利。而采用全IGBT技術的UPS,在直流母線上引出的直流電經過IGBT斬波控制,可實現對電池的精確充電,并可通過數字化控制細化參數設置,作到為每種配置的電池指定最適合的充電方案,達到延長壽命的目的。

            (6)變壓器為選件,可以實現真正的完全隔離

            變壓器在全IGBT技術UPS中,作為可選配置為一些有特殊要求的用戶配置。其功能也主要是適應現場特殊電力狀況,例如現場輸入電為三相角形輸入時,采用輸入角/星變壓器可使UPS在角型輸入的現場得以應用;再如現場要求UPS必須為單相輸出,且功率數較高時(一般容量大于20KVA時,UPS很少有單相輸出的標準形式,都采用三相輸出形式),可采用輸出的三相/單相變壓器,提供供電形式轉換,滿足用電要求。還有一些用電場合要求輸入電與輸出電的全隔離,可在UPS輸出一側配置隔離變壓器,可有效抑制共模噪聲。但需要注意的是,采用可控整流的UPS雖然標準配置具有變壓器,但其隔離效果不一定完善,主要是隔離變壓器的位置應加在UPS旁路輸出與逆變輸出的公共輸出側才可完全作到輸入與輸出的電氣隔離,而可控硅整流UPS的輸出升壓變壓器只是提升逆變輸出的電壓,而對旁路輸出不起作用(除非具有雙隔離變壓器將逆變輸出與旁路輸入同UPS輸出隔離開來)。

            (7)對電網的適應能力強 

            工頻機UPS對于適應輸入電壓±15%的變化已很不易,而高頻機UPS甚至適應輸入電壓±30%以上的變化,這又大大延長了電池的壽命

            工頻機UPS由于其前端采用斬波控制輸出直流的整流工作方式,過高的輸入電壓適應范圍,在低壓端,會導致電池因長期得不到飽滿的充電而迅速失效,而在高壓端一旦產生輸入整流可控硅控制失控,后果將極為嚴重。

            例如使用工頻機UPS,對三相380V的來說,其+30%就是有效值494V,而峰值電壓就是690V,如果輸入整流器濾波電容采用450V的耐壓規格,加20%的余量最高耐壓也不過是585V,一旦輸入可控硅失控,就會直接輸出690V的高壓至此電容上,從而造成極為嚴重的故障。在日常工作中,因為這個原因而導致電容在高壓下爆炸的事件多有發生。

            (8)可將并機環流衰減到幾乎為零 

            工頻機UPS的并聯就是變壓器的直接并聯,而變壓器的直接并聯最容易產生環流,而且這個環流的路徑暢通無阻,如圖2(a)所示。高頻機UPS由于沒有輸出變壓器,它們的并聯如圖2(b)所示??梢钥闯鲞@里的環流路徑上處處是障礙,小于2V的電壓差根本形不成環流,而工頻機UPS在此情況下就會形成很大的環流。 



            (a) 工頻機UPS的并聯方框圖



            (b) 高頻機UPS的并聯方框圖

            圖2 兩種UPS并聯方框圖


            4.對工頻機UPS輸出變壓器的一些錯誤認識

            工頻機UPS逆變器輸出配置變壓器,而高頻機UPS的輸出則取消了這種傳統的用漆包線+矽鋼片鐵心的變壓器。在一些錯誤的認識中,有些用戶就認為UPS的這個變壓器是不能取消的,且具有不可替代性,常見的對于這個輸出變壓器的說法是:

            ?可以隔離零線

            ?可以直流隔離,在逆變器故障時切斷直流電壓到負載的通路,防止負載損壞

            ?具有抗干擾和緩沖負載突變的作用

            ?可以提高UPS的可靠性

            ?可以更適應電網輸入電壓的大范圍變化

            好像這個變壓器是為了這些目的專門為用戶設計的。實際的情況是不是這樣呢?回答是否定的。首先,很多用戶把變壓器當成了電抗器,不了解電抗器和變壓器有著本質的區別。再就是這個變壓器是其實是工頻機UPS不可分離的構成部分,作用也很簡單,下面我們進行詳細的分析。 

            (1)工頻機UPS輸出變壓器的作用1-升壓

            從工頻機UPS的結構中我們可以看出,從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中,每個環節都是降壓環節, UPS輸出的有效值電壓為220V,其正弦波交流電壓的峰峰值電壓是620V,而一般單相UPS的輸入整流電壓才310V(這還不包括一般為196V電池的情況),為了使逆變器不失真地輸出有效值為220V的正弦波交流電壓,逆變器前面的直流電壓必須是650V~870V。由于工頻機逆變器的輸入電壓遠遠低于這個值,所以必須加一個輸出變壓器將逆變輸出的較低恒定電壓升致合理的輸出范圍,最終提供恒定的220/380V輸出。


            圖3 輸出隔離變壓器的升壓作用電原理圖


            (2) 工頻機UPS輸出變壓器的作用2-隔離接地 

            工頻機UPS采用的是全橋變換器,如圖4所示。這種變換器輸出的不是一根火線和一根零線,而是兩根火線。但一般的UPS負載要求必須具有零線,以便于接地,如果在沒有輸出隔離變壓器的情況下,就將一根火線硬性接地,如圖4(a)所示,就會導致UPS的工作失常。圖中給出了在電壓正弦波正半波時的電流流動方向和途徑,負半波也是如此。從圖中可以看出,由于零線的接入,使負載電流經過負載后不是經過整流器和逆變管,而是直接流回市電的零線輸入端,在這種情況下,圖中用虛線標出的一只整流器和一只逆變功率管就未起作用。按照正常的工作程序,負載電流應該流過兩個橋式電路的各2只管子,如圖4(c)所示,圖4(d)是它的等效電路。由電路可以看出,只有在輸出端增加變壓器后,才可以在變壓器的次級(負載輸入端)連接市電的零線,從而構成一個可靠的供電系統。所以這個變壓器是全橋電路不可分割的一部分。是為了解決上述困難的權宜之計,和其他沒有必然關系。


            (a)無輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑



            (b)無輸出變壓器正半波時的等效電路



            (c)有輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑



            (d)有輸出隔離變壓器時的正半波等效電路

            圖4 工頻機整流/逆變電流途徑原理圖


            (3) 工頻機UPS輸出變壓器不能隔離干擾和緩沖負載

            目前所有UPS的隔離變壓器都是為了變壓和隔離零線(或接地)的目的而接入的,并沒有隔離干擾和緩沖負載突變的功能。圖5給出了這種變壓器的結構原理圖。從圖5(a)的變壓器原理圖可以看出,普通電源變壓器都有初級和次級,而且都是一層層用漆包線繞成的,如圖5(b)的變壓器結構剖面圖所示。就是說,變壓器是由繞在鐵芯上的一層層銅漆包線構成,初級和次級也是這樣,兩層漆包線之間都墊有絕緣層,這樣一來,每層繞組就構成一個導體平板,兩層繞組之間就構成了一個平板電容器,進而在初次級繞組之間就形成了一個等效電容器C,如圖9(b)所示。在初次級繞組之間也就形成了一個容抗XC,其數值的大小為:Xc =1/2πfc

               

            (a)變壓器原理圖            (b)變壓器結構剖面圖

            圖5 變壓器結構原理圖

            式中:

            Xc是等效電容的容抗,單位是歐姆()

            C是等效電容的容量,單位是法拉(F)

            f是干擾信號頻率,單位是赫茲(Hz)

            從這個公式可以看出,頻率越高,容抗就越小,也就是說干擾信號的頻率越高,這個電容通路就越容易被穿過。由于一般干擾信號的頻率是很高的,可以直接穿過變壓器而長驅直入去干擾負載。若是較低頻率的干擾到來,它就會按照變壓器的變比按比例變換過去而干擾負載。正因為變壓器并不抗干擾,所以幾乎所有UPS都在輸入和輸出端加有輸入/輸出濾波器,如圖6所示。


            圖6 一般工頻機UPS電源結構方框圖


            同樣,該變壓器也沒有緩沖負載電流突然變化的能力。首先根據能量守恒定律,變壓器初次級之間的能量傳遞是等量的,即: U1I1=U2I2  比如當負載端短路時,次級電流I2就會趨向于無窮大,為了平衡負載端的變化,變壓器初級電流I1也會趨向于無窮大。    

            有些錯誤的說法認為變壓器的漏感可阻止電流的突然變化,但實際上變壓器的這個漏感非常小,不足以阻止這種變化。同樣高頻機UPS的輸出端一般也串有小容量的電感,在這一點上和工頻機UPS是等效的,但同樣都起不了關鍵作用。為了彌補這個不足,所以在所有UPS的輸出端都接有電流傳感器,一旦出現過載或短路現象,就用停止逆變器工作的方法來保護。 

            其次,如果這個變壓器具有抗干擾功能,那么這個變壓器必須具備分辨有用信號和干擾信號的功能,比如圖7示出了非線性負載工作時的電流波形圖。非線性負載向UPS索取的工作電流大小是不定的,隨機的,哪一個變壓器能從圖7的電流波形中分辨出有用和干擾電流呢?沒有一個UPS輸出變壓器具有這種分辨能力,那么抗干擾之說也就沒有根據了。


            圖7 非線性負載工作電流圖


            (4)UPS輸出變壓器沒有隔直流的能力

            從前面討論中已經知道在工頻機UPS全橋逆變器的結構中必須要變壓器,不僅是單相機,三相機更是這樣:因為三相橋逆變器輸出的是三條火線而沒有零線,只有通過Y型變換才能有三相四線制的電源,所以變壓器是工頻機UPS不可分割的部分,下面來進行具體分析。

            隔直流之說的主要觀點是說當逆變器功率管故障后又有可能使直流電壓加到用戶機器的輸入端,而輸出變壓器的初級和次級繞組是分開的,直流電壓只能停留在初級繞組上,于是就產生了隔離效果。是的,但這是自知其一,卻不知其二,這樣會帶來嚴重后果,事情完全不是想象中的那樣,圖8展示出了一般變壓器的工作情況。首先這種變壓器是變換交流電的,如圖中正弦波。假如不用來變換交流電而是施加直流,如圖8中將電池組開關S閉合,由于變壓器繞組內阻相當?。ń朴诙搪罚┚蜁陔姵亟M和變壓器初級繞組之間形成相當大的短路電流,一直到將電池組或導線或繞組燒斷為止。換言之,這種電源變壓器根本就不能加直流,這是個常識的問題。


            圖8 全橋逆變器UPS輸出變壓器原理圖


            下面再來討論逆變器功率管損壞情況下的變壓器狀態。逆變器功率管的損壞有兩種情況:斷開或穿通(短路)。圖9顯示出了UPS全橋逆變器一個功率管(比如VT2)開路(斷開)的情況。從圖中可以看出,在此情況下的電流路徑只能是一個方向的,就是說只能輸出一個極性的半波,一個極性就意味著逆變器此時只能輸出半波電壓,而半波飽含直流成分,直流電流分量在變壓器初級繞組中的積累會使繞組達到飽和狀態,就類似于繞組短路,形成很大的電流,以致將變壓器和電池這個回路燒斷為結束。這個直流電流倒是沒有進到負載端,但UPS本身卻燒了。


            圖9全橋逆變器UPS一個功率管開路情況原理圖


            再看逆變器一支功率管(比如VT2)穿通(短路)的情況。只要VT3和VT4一工作就形成引發出巨大的隱患:管子截止時原來有兩個串聯功率管承受的高壓現在都加在了一個管子上,壓力增加了一倍,一旦它們承受不了這種高壓就會被擊穿而形成短路,如圖10所示。強大的電流可將VT3或VT4瞬間炸毀,否則就會導致全系統跳閘保護。某石油公司的兆瓦級機房就是因為這個原因而造成3+1并聯冗余的4300kVA供電系統跳閘停機。在這里的變壓器根本沒有任何作為。當然如果不是斷路器及時跳閘就會導致變壓器起火。在這種情況下雖然也是隔斷了直流,但同樣是把自己燒毀了,這樣的隔直流功能沒給用戶帶來任何好處。


            圖10 全橋逆變器UPS一個功率管穿通情況原理圖


            以上兩種情況都是用燒毀UPS本身的代價而保護了IT設備,這對IT設備用戶是不是就算是一種福音呢?當然不是,因為不論是燒毀UPS還是IT設備都會使系統崩潰而無法繼續工作。如果UPS供電設備在逆變器功率管損壞的情況下不但保護了IT設備,同時也保證了本身的安然無恙,這樣的隔直流功能才有實際意義,這才是用戶真正需要的。持此種說法的誤區在于沒有搞清楚變壓器不能加直流電壓和電流的道理

            (5)三相UPS輸出變壓器不具有完全隔斷三次諧波的能力

            在大功率三相UPS中這個變壓器具有隔斷三次諧波的能力,但必須是D-Y連接,如圖11所示。但是這種連接方法只能消除線電壓上的三次諧波,而相電壓上的諧波不能消除,圖中我們可以看到相電壓是直接變過去的,線電壓的相位移動了30°。

            再說逆變器本身產生的三次諧波幾乎為零,根本不用到輸出端去消除。而負載大都用相電壓220V,因此在這里談什么消除三次諧波根本沒有實用價值。工頻機UPS輸出變壓器的基本功能就是變壓和產生隔離接地點,其他功能只是想像中的一種美好愿望。


            圖11 UPS輸出三相變壓器的連接


            (6)UPS變壓器不能提高UPS系統的可靠性和穩定性

            包括UPS在內的電子設備最容易出故障的主要因素是高溫。在高溫下,器件的漏電流增大、耐壓降低。當環境溫度在25C的基礎上,每上升10C,元器件或設備的壽命就減半。當溫度按照10C的算術梯度上升時,元器件或設備的壽命就會按照1/ 2n(n=1,2,3…)的幾何級數規律遞減。而機內的溫升來自機內各個電路環節的功耗,變壓器是其中之一,如果沒有變壓器就可以少去這部分功耗。所以從這個意義上說,由于變壓器的存在,在一定程度上降低了系統的可靠性。

            這里的誤區在于將變壓器的機械穩定性和電氣性能混為一談。這里的穩定性指的是電性能的穩定性,既然由于變壓器的存在降低了系統的可靠性,當然也相應地降低了穩定性。陷入誤區的人們誤把電的穩定性當作機械穩定性來理解:變壓器重量大,重心穩定,所以也就保證了系統的可靠性和穩定性。再者,變壓器只是UPS的一個組成部分,它不給整體添麻煩也算提高了設備的可靠性,若從這個角度上說看問題,任何一個組成部分都可以這么說。

            (7)UPS變壓器不能使系統更加適應大范圍的電網變化

            有人說:由于目前的電網供電質量不高,電壓波動很大,只能采用帶變壓器的工頻機UPS,并說工頻機變壓器就可以使UPS系統更加適應電網電壓的大幅度變化。而實際上的事實情況又是如何呢?我們可從圖12進行分析:


            圖12工頻機UPS輸出變壓器

            這個變壓器就是前面所介紹的輸出電壓變壓器。這個變壓器是接在逆變器的后面,它所承受的輸入電壓是經過幾次變換后所形成的穩定電壓,變化僅僅是1%,可說吃的是“小灶”,不論輸入電壓如何變化都和這個變壓器沒有多大的關系。這個變壓器的加入和輸入端是否能承受電網的變化毫不相關。所以那種“變壓器能使系統適應大范圍電網變化”的說法根本就不成立。

            (8)高頻機UPS真的沒有變壓器嗎

            很多用戶認為高頻機沒有變壓器,實際上這也是一種誤解。在高頻機UPS中也有變壓器,比如UPS輸出交流電壓220V時的電壓幅度峰峰值約620V,而UPS中的電池電壓一般小功率采用的是192V、72V、48V或者更小。如果沒有變壓器又如何將這些低壓升至620V呢!在人們的習慣中大都認為有線圈和鐵心的才叫變壓器,否則就不是變壓器,這就有些片面了。凡是能將一個電壓值變換為另一個電壓值的裝置都是變壓器,包含高頻機UPS內部的電子變壓器,只是人們還不習慣而已。

            高頻機UPS由于有了這個電子變壓器帶來了很多好處:不但可以變壓,而且還有輸入功率因數校正功能,它可以將輸入功率因數校正到接近于1,這是工頻變壓器所無法實現的;它的抗干擾功能也是工頻變壓器無法比擬的,這是因為普通電磁式變壓器將輸入的電壓波形沒有失真地傳遞到輸出端,所以也將干擾一并送出。高頻機的電子變壓器則不然,如圖13(a)所示的電路是將輸入電壓波形進行切割后儲能送出:當整流正弦半波電壓波形到來時,開關S閉合,電流經電感L和開關S和輸入形成回路,如圖中實線所示,此時能量儲存在電感L中,開關S按照一定的頻率開斷與閉合,當開關斷開后,儲存在L中的能量沿虛線方向給二極管D后的電容和負載供電,而后再重復下一個同樣的周期。其波形的關系如圖13(b)和13(c)所示。從圖中可以看出,電子變壓器取能時,并不將其送出,而是以靜態的形式儲存,不取能時再將儲存在電感中的能量送出。換言之,即使電網中有干擾,也會將動態干擾在儲能過程中平復,就像波浪翻滾的河水流入水庫后就會“偃旗息鼓”,平靜下來,而由水庫向外提供的水流則是平緩的。誰也不會相信電池向外提供的電流中會有干擾成分。


            圖13 BOOST電子變壓器的工作原理圖

            綜上所述,我們可以明顯看出高頻機的優越性。實際上,現在的大部分工頻機也已經高頻化,不采用高頻化的工頻機,其單相機的輸入功率因數不會高于0.7;三相機的輸入功率因數在無PFC的情況下也不會高于0.8;幾乎所有工頻機的逆變器都采用了高頻PWM技術,所差的往往就是舍不得舍棄這個輸出變壓器。實際上,幾乎所有的國內UPS生產廠家,在生產工頻機的同時還在生產著同容量的高頻機,以備萬一有一天用戶都改用了高頻機,可及時推上去,不至于青黃不接。 

            5 高頻機UPS與工頻機UPS的現狀 

            高頻機UPS對技術與工藝以及生產手段的要求非常嚴格,一般廠家也不容易仿制,高容量的高頻機UPS目前只有少數制造廠的技術真正過關,卻已顯示出強大的生命力。比如秀康10年前就可做到8kHz/480kVA,伊頓9395系列也做到了15kHz/1200kVA,MGE可以做到500KVA,克勞瑞德已經制造出200KVA的高頻模塊UPS,并可以在容量上通過并聯的方式達到1000KVA以上。高頻機UPS從98年開始,經過10多年的發展,技術早已成熟,在各行各業已經得到了廣泛的使用和認可。

            高頻機UPS不可靠的說法完全是站不住腳的,目前世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻機UPS為絕對主力方向,高頻機UPS因其負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)和輸入PF高等技術上的絕對優勢,真正代表未來綠色電源的發展趨勢。

            綜上所述,工頻機UPS在這種情況下的日子自然會越來越艱難。只是有那么一批廠家,因為自身的高頻機UPS技術沒有過關,從市場競爭的角度上考慮,還得繼續主推工頻機UPS,同時作為市場手段多說一些當前用工頻機UPS更合適之類的語言,多說一些工頻機的好處和多找一些高頻機的缺點均屬正?,F象,這可以理解,大都屬于認識問題。甚至在這個過程中,產生了有些折中和稀泥的說法,比如:高頻機UPS和工頻機UPS是未來兩個各自的發展方向。這種說法同樣是非常錯誤的,工頻機UPS的低效率,能量浪費,落后的技術是不可能成為UPS未來的發展方向的。技術總是在發展的,新技術代替舊技術是歷史的發展規律,即使新舊之間的替代與轉換并不是那么順利,但這是不可逆轉的技術發展規律,高頻機UPS淘汰工頻機UPS是技術發展的必然,相信這一天的到來不會太長。


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