工頻UPS與高頻UPS概念的辨析.doc

工頻ups與高頻ups概念的辨析 2009-8-17 11:08:48 作者：張成 來源：ups應用 訪問:2530 評論：1 收藏此信息 推薦給朋友 舉報此信息 文中從ups發(fā)展的歷史沿革和拓撲結構,對工頻ups與高頻ups的概念進行了分析。溯高美索克曼電氣公司北京辦事處 張 成一直以來,業(yè)界對工頻ups和高頻ups的概念有各種定義,給用戶造成了不少混淆。主要的定義方法有以下兩種:一是逆變器調(diào)制頻率論。即逆變器調(diào)制頻率高于20khz的ups稱為高頻ups,低于這個頻率的ups稱為工頻ups。這種定義方式經(jīng)不起推敲的地方在于,如果以逆變器調(diào)制頻率來定義,那么不僅應該有高頻ups,還應該有中頻ups。而“工頻ups”的說法就師出無名了,因為,目前ups的逆變器調(diào)制頻率大多為48khz,根本沒有以工頻(50hz)來調(diào)制的。二是整流器調(diào)制頻率論。這也是最為普遍被接受的一種定義方法。即如果整流器是工頻整流(如晶閘管整流),則稱為工頻機,否則稱為高頻機。這種定義方法,在一段時間內(nèi)確實為業(yè)內(nèi)外普遍接受。但隨著ups技術的發(fā)展,這種定義方法也顯現(xiàn)出了其不嚴謹?shù)牡胤?無法對現(xiàn)有的ups機型進行準確分類。那么什么才是“高頻機”和“工頻機”的準確定義呢?1 歷史的沿革要對“高頻機”和“工頻機”進行準確定義,首先必須了解定義本身的歷史沿革。1.1 傳統(tǒng)工頻經(jīng)典ups靜態(tài)ups出現(xiàn)于上世紀60年代,其經(jīng)典的拓撲原理如圖1所示。 圖1 傳統(tǒng)工頻ups拓撲圖可以看到傳統(tǒng)的工頻ups由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路、維修旁路、逆變輸出變壓器組成。這里逆變輸出變壓器是ups的必要組成部分,其作用是升壓。這是因為ups有一個重要的功能就是穩(wěn)壓,而整流、逆變兩次變換均為降壓環(huán)節(jié)(功率晶體管的管壓降及各種損耗引起),另外還需要考慮市電電壓低時,也要保證穩(wěn)定不變的輸出電壓,所以ups內(nèi)部必須有一個環(huán)節(jié)用于升壓,而逆變輸出變壓器就是用來實現(xiàn)這一功能的。這里有一個很重要的概念:由于ups輸出在任何時候都需要輸出穩(wěn)定的電壓,因此ups內(nèi)部必須有一個升壓的環(huán)節(jié)。1.2 高頻機概念的出現(xiàn)上世紀90年代之前,沒有高頻ups和工頻ups的稱謂問題。高頻機的概念出現(xiàn)在90年代后期，這個時候ups技術出現(xiàn)了一次革命，即出現(xiàn)了不帶逆變輸出變壓器的ups。其典型的拓撲結構如圖2所示。 圖2 高頻ups拓撲圖通過與傳統(tǒng)工頻ups的拓撲原理圖比較,可以看出這種ups通過在整流部分增加boost斬波器,將整流后的直流提升到ups輸出所需的電壓,從而省掉了逆變器后面的輸出變壓器,即以直流升壓取代了經(jīng)典的ups變壓器交流升壓。這種ups的優(yōu)點是省掉了逆變器輸出變壓器,極大地節(jié)省了成本,減小ups的占地面積和重量。另外,由于在斬波升壓環(huán)節(jié)增加了功率因數(shù)校正功能,使這種ups具有非常好的輸入功率因數(shù)。國外將這種ups稱為transformer-less ups,即無變壓器的ups,而將傳統(tǒng)工頻ups稱為transformer ups,即帶變壓器的ups。而國內(nèi)則將其稱為高頻機和工頻機,即以整流器的調(diào)制頻率來區(qū)分。無變壓器的ups,其整流部分包含高頻斬波,故稱其為高頻機;帶變壓器的ups為相控整流,故稱為工頻機。由此可以看出，工頻機和高頻機概念引入的初衷，是用來區(qū)分ups是否帶有逆變器輸出變壓器的。2 歧義的產(chǎn)生在高頻機概念出現(xiàn)的初期,其定義基本上還能正確區(qū)分兩類ups。但隨著ups技術的不斷發(fā)展,以及ups應用環(huán)境要求的變化,當初的定義逐漸顯現(xiàn)出不嚴謹性,造成了很多的困惑和混亂。近年來,隨著社會供電環(huán)境對綠色電源和節(jié)能降耗的產(chǎn)品需求不斷增加,ups技術有了很大發(fā)展,尤其是以高輸入功率因數(shù)和低諧波輸入為目標的整流技術。其中igbt整流器的普遍采用是這一發(fā)展趨勢的熱點。igbt整流器與scr(晶閘管)整流器性能的不同之處主要表現(xiàn)在兩點。(1)輸入?yún)?shù)的不同。scr(晶閘管)整流器為相控調(diào)制,只能工作于工頻,輸入功率因數(shù)較低,輸入電流畸變較大。而igbt整流器可通過控制其門極的驅動來控制igbt的開通與關斷,開關頻率通常在幾千赫到幾十千赫。通過調(diào)制,igbt整流器可以保持輸入電流與輸入電壓相位一致,且輸入電流可以接近于正弦波,因而具有非常高的輸入功率因數(shù)和非常低的輸入電流諧波畸變。(2)igbt整流器具有升壓功能,即igbt整流器的輸出直流可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)其高低,甚至可以直接升到800v,從而滿足ups輸出交流電壓的要求,而scr(晶閘管)整流沒有此功能。幾種igbt整流ups的拓撲結構如圖3、圖4、圖5所示。 圖3 igbt整流,無輸出變壓器ups(高頻機)圖3所示的ups,市電輸入經(jīng)過igbt調(diào)制整流,并將直流電壓升壓至800v左右,直接通過逆變器調(diào)制濾波后輸出所需的穩(wěn)定電壓。 圖4 igbt整流,帶輸出變壓器ups(工頻機)圖4所示的ups,市電輸入經(jīng)過igbt調(diào)制整流,獲得直流電壓(400500v),經(jīng)逆變器調(diào)制后輸出交流電壓(310v左右),最后通過輸出變壓器tr升到所需的穩(wěn)定電壓。 圖5 igbt整流+輸出隔離變壓器ups(高頻機)圖5所示的ups,是在圖3所示ups的輸出端增加了一臺1:1隔離變壓器tr,其igbt整流器同圖3所示的ups一樣具有升壓作用。從拓撲圖上可以清楚看到,雖然圖4和圖5的ups都有輸出變壓器,但不同的是,圖4的變壓器是逆變器輸出變壓器,起升壓作用,是ups的一部分;而圖5中ups的變壓器,沒有升壓作用,只相當于在一臺ups的輸出加了一臺隔離變壓器,屬于ups的附屬設備。以上三種機型都采用了igbt整流器,整流器也都工作于高頻調(diào)制狀態(tài),那么以上三種機型都是高頻機嗎?結論顯然是否定的。根據(jù)前面提到的工頻機和高頻機概念引入的初衷，圖3的ups沒有逆變輸出變壓器，屬于高頻機；圖4的ups帶有逆變輸出變壓器，屬于工頻機；而圖5的ups則是增加了輸出隔離變壓器的高頻機。3 結束語由于ups技術的發(fā)展,以整流器的調(diào)制頻率來定義高頻機和工頻機,已無法對兩類ups進行正確的區(qū)分。只有從ups的拓撲結構上,才能對兩類ups進行準確分類。從拓撲結構上可以看到,兩類ups的最大區(qū)別在于升壓環(huán)節(jié)的處理。帶變壓器的ups,通過變壓器在逆變器后端進行交流升壓;無變壓器的ups,通過直流斬波在逆變器前端進行直流升壓。因此,依照上述原則,如果一定要使用高頻或工頻的概念進行分類,那么更準