图所示的UPS,是在图3所示UPS的输出端增加了一台1:1隔离变压器Tr,其IGBT整流器同图3所示的UPS一样具有升压作用。
从拓扑图上可以清楚看到,虽然图4和图5的UPS都有输出变压器,但不同的是,图4的变压器是逆变器输出变压器,起升压作用,是UPS的一部分;而图5中UPS的变压器,没有升压作用,只相当于在一台UPS的输出加了一台隔离变压器,属于UPS的附属设备。
以上三种机型都采用了IGBT整流器,整流器也都工作于高频调制状态,那么以上三种机型都是高频机吗?结论显然是否定的。
根据前面提到的工频机和高频机概念引入的初衷，图3的UPS没有逆变输出变压器，属于高频机；图4的UPS带有逆变输出变压器，属于工频机；而图5的UPS则是增加了输出隔离变压器的高频机。
3 结束语
由于UPS技术的发展,以整流器的调制频率来定义高频机和工频机,已无法对两类UPS进行正确的区分。
只有从UPS的拓扑结构上,才能对两类UPS进行准确分类。从拓扑结构上可以看到,两类UPS的大区别在于升压环节的处理。带变压器的UPS,通过变压器在逆变器后端进行交流升压;无变压器的UPS,通过直流斩波在逆变器前端进行直流升压。
因此,依照上述原则,如果一定要使用高频或工频的概念进行分类,那么更准确的高频机或工频机的定义是:通过高频直流斩波升压的UPS称为高频机;通过逆变器输出变压器进行交流升压的UPS称为工频机。
所以,一台高频机即使外加了输出变压器也不应称为工频机,因为此变压器没有升压作用;而一台工频UPS即使采用IGBT整流也不应称为高频机,因为其升压环节是变压器。
中讯邮电咨询设计院电源处 侯永涛
用户在购买大功率UPS的时候,常常面临在工频机和高频机之间进行选择的困惑。就UPS厂商方面而言,当然都认为是自己的好,“公说公有理,婆说婆有理”。提供工频机的厂商说工频机稳定性和可靠性高;提供高频机的厂商会说高频机节省空间,成本相对较低等诸如此类的说法。其实,工频机和高频机到底孰优孰劣,很难一概而论,可以说各有利弊。用户应当在全面认识这两种UPS机型的基础上,客观审视自身的应用和需求,选择适合自己需要的产品。
1 工频机和高频机的原理分析
工频机和高频机是按UPS的设计电路工作频率来区分的。工频机是以传统的模拟电路原理设计,由晶闸管(SCR)整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几千赫到几十千赫,甚至高达上百千赫,远远高于工频机,因此称为高频UPS。
在工频UPS电路中,主路三相交流输入经过换相电感,接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压,通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件,控制系统只能控制开通点,一旦SCR导通之后,即使门极驱动撤消,也无法关断,只有等到其电流为零之后才能自然关断,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,不存在高频的开通和关断控制。由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入交流电压低,要使输出相电压能够得到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。
相比而言,高频UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为800V左右,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数需要67节,这样给实际应用带来极大的限制。因此一般高频UPS会单独配置一个电池电压变换器,市电正常的时候电池变换器把800V的母线电压降到电池组电压;市电故障或超限时,电池变换器把电池组电压升高到800V的母线电压。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。因此,有无隔离变压器是工频机与高频机在结构上的主要区别。
2 UPS输出隔离变压器的作用
隔离变压器是利用电磁感应原理,对配电或信号进行电气隔离的装置。隔离变压器在UPS中通常被设计在逆变器的输出端,可以起到增加UPS性能改善负载端供电质量的作用。通常,UPS的输出隔离变压器有以下四大优点:
2.1 降低零地电压,优化UPS末端供电网络
UPS的逆变输出安装隔离变压器可以隔离输入和输出之间的电气连接,从而有效地降低输出的零地电压。由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法,中性点接地后产生新的零线,从而达到降低零地电压的目的。事实上,HP、IBM、SUN的小型机因为要保证精密的计算能力与高可靠的数据处理传输能力,都会对零地电压有极高的要求,加装隔离变压器可以彻底解决因为零地电压偏高所造成的一些问题。