工频UPS和高频UPS原理

./摘要：本文通过大容量工频UPS和高频UPS进行原理分析、拓扑对比、实测数据分析和性能对比,全面总结了大功率工频UPS和高频UPS的优缺点和选配原则。

一、工频机和高频机的定义和原理分析

UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅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。

典型的工频UPS拓扑如下：

图1：典型工频UPS拓扑

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,控制系统只能够控制开通点,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。同时,由于增加了隔离变压器,系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离,显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。

同时,工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300V~500V之间,可直接挂接三十几节电池,不需要另外增加电池充电器。

按整流器晶阐管数量的不同,工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。6脉冲指以6个可控硅〔晶闸管组成的全桥整流,由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制,所以叫6脉冲整流。6脉冲整流拓扑如下：

图典型6脉冲拓扑

12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上,在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器,使直流母线由12个可控硅整流完成,因此又称为12脉冲整流。

下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。

图典型12脉冲整流器示意图

6脉冲和12脉冲的详细技术分析可参见《大功率UPS6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别》。

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可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz,甚至高达上百KHz,相对于50Hz工频,称之为高频UPS。典型的高频机拓扑如下：

图2：高频UPS拓扑图

高频UPS整流属于升压整流模式,其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值高,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达到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变换器,市电正常的时候电池变换器把母线800V的母线电压降压到电池组电压；市电故障或超限时,电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。从而实现电池的充放电管理。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。

二、工频机和高频机的性能对比

随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世。中小功率段的UPS产品正逐步高频化,高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向功率过渡推进的过程中。高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点,并影响到UPS的安全使用和运行。

1零偏故障。

某型号大容量三相高频UPS拓扑如下：

图3:某型号四桥臂高频机拓扑

从图3可知,UPS主路输入是三相四线〔相线+零线,整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合,零线断开时。如果UPS输出端接不平衡负载,当零点参考点突然消失,将造成严重的UPS输出零偏故障,进而导致UPS后端负载设备的损坏,输出闪断等重大故障。如果A、B、C、零线同时中断。这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程,此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作,在特定工况下〔电压过零点,非同步切换时可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。

2零地电压抬升和电池架带电问题。

从图2和图3可以看到,大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点,此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上,抬升零地电压,造成负载端零地电压抬高,很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。

某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构,变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量,在现场实测数据如下图：

可以明显看到频率12.5KHz的高频分量,实测电池正极与浮置电压有325V,断开电池架接地,电池架与间有100多伏浮置电压。接通电池架与,电池架与漏电流高达110mA。按照行业标准〔GB13870.1-93《电流通过人体的效应》,50mA的电流就可以致人死亡。该型号UPS在电池架未与短接时,人体触摸到电池架有明显被电击的感觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与形成通路,造成人体触电。同时,此高频谐波严重干扰了外置的UPS电池单体电压监控系统,使电池电压监控测试仪无常工作。

3可靠性降低。

自1947年底首个晶体管问世,随后不到十年,可控硅整流器〔SCR,现称晶闸管在晶体管渐趋成熟的基础上问世,至今晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新,耐受高电压,大电流晶阐管技术已非常成熟,其抗电流冲击能力非常强。晶阐管是半控器件,不会出现直通,误触发等故障。相比而言,80年代初问世的IGBT〔绝缘栅双极晶体管有许多优点,其开关频率可在几K至几百KHz之间,是目前高频UPS主要功率器件。但是,IGBT工作时有严格的电压,电流工作区域,抗冲击能力有限。在可靠性方面,IGBT一直比晶阐管差。根据大量的数据统计,采用晶阐管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率,前者大约为后者的1/4。

工频机通常采用SCR整流器,而高频机多采用IGBT整流器。因此,工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑。并通过了长时间和复杂电网的实际验证。

高频大功率UPS还有诸多缺点,详见附件：

附：大功率工频UPS和高频UPS技术对比表：

高频机工频机高频机工频机1采用IGBT整流技术,根据统计数据,IGBT整流故障率远高于可控制硅整流采用可控硅整流技术,系统可靠性高2输出有高次谐波,高频谐波耦合在零线上,可能抬升零地电压。很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求输出配置隔离变压器,零地电压增量为零,更可靠保证负载运行3逆变器直接挂接负载,抗负载冲击能力弱,降低逆变器的可靠性输出隔离变压器自身短路阻抗的作用及高频衰减隔离特性,使得工频机具有很好的抗负载冲击能力,降低负载突变和短路对UPS的影响4逆变器直接带载,带不平衡负载能力弱通过变压器的负载重新分配,提高了UPS带不平衡负载的能力。5负载直挂,带非线性负载的能力弱输出变压器具有3N次谐波电流的隔离能力,带非线性负载的能力强；6无输出隔离变压器,在UPS故障的情况下存在输出直流电压损坏负载的风险即使在UPS故障的情况下也不存在输出直流电压的风险,负载更加安全可靠；7主路旁路N线必须相同,因此无法实现主旁路不同源配置可以实现主旁路不同输入源的配置方案,满足高可靠性场地的配电要求；8某些厂家的高频机输入零线中断时,UPS无常工作,当市电和柴油发电机切换时,因零线短时"缺失"可能出现"零偏"故障,造成输出闪断,负载掉电的重大故障隔离变压器重新生成中心点,UPS输入零线中断时可正常工作。9采用专用充电器,充电能力弱。只能满足短时间<5-10分钟>后备电池的充电能力,长延时配置时电池充电能力不足,电池寿命严重缩短电池直接挂接母线,在负载不足满载时可将剩余的整流器容量用于充电,特别适应中国客户长延时配置后备电池的需求10电池与逆变器之间增加了电压变换电路,降低了电池放电时系统效率,同等负载时需配置更多的电池。且系统可靠性降低电池直接挂接母线,逆变效率高,节省电池的配置容量

不可否认,高频UPS有一些优点,但目前就技术发展和成熟度而言,大功率高频机有许多缺点还需要进一步技术优化和升级。某些厂商推出的大功率高频UPS仍在试用阶段。在可靠性第一原则下,使用在重要场合的大功率UPS,仍然以工频机为首选。高频机工频机概念解析随着UPS技术的不断发展,很多计算机、电力电子领域的新技术、新理念引入到UPS行业。与IT行业的其他产品类似,现在的UPS与从前的产品相比较,无论在主要性能上、外观尺寸上、对现场环境的适应性及可靠性方面,都有了显著的进步,有些指标甚至是质的飞跃,对于大中型UPS来说更是如此。目前比较流行的大中型UPS结构由原来的老式结构逐渐转向更为合理的新型结构,传统老式结构UPS的基本结构<工频机>如下,基本结构：可控硅整流+电池直接直流母线+IGBT逆变器+升压变压器新型全IGBTUPS结构<高频机>如下,基本结构：不控整流+DC/DC倍压环节+独立充电器+逆变器从图中可以看出,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,传统技术最好可做到12拍整流；而高频机的整流是二极管不控整流+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必不可少,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、或是可靠性都大提高了,加之UPS数字化程度地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<正如当年可控硅逆变器被大功率晶体管GTR取代,之后又被IGBT逆变器取代一样>。UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小,重量的下降,而更重要的是电气性能的提高。下面具体分析两种结构UPS的电气原理及电气性能：早期大中型UPS主回路结构采用可控硅整流将输入的交流电整为直流,电池直接挂在直流母线上,当输入市电正常时,靠整流可控硅的调节对电池充电,同时为GTR或IGBT结构的桥式逆变器供电,逆变器将直流逆变为交流,最后经过输出变压器的升压及滤波,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：可控硅整流是为了提供恒定的直流电压而采取的一种整流方式〔可通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化,确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定,由于可控硅整流只能斩掉一部分输入电,所以其恒定输出电压的代价是将输出电压恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节,从可控整流输入来的直流电在通过逆变器逆变出交流的过程中同样采用的是斩波的做法,其结果同样是输出电压等级的再次降低。正是由于上述的原因,在此种结构的UPS中,必须在输出测加入升压变压器,将逆变输出的较低恒定电压升致合理的输出围,最终提供了恒定的220/380V输出。目前较为先进的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电路直流升压到一个较高的恒定直流电压〔与可控硅整流的效果相反,通过这种IGBT整流可以得到一个高于全波整流输出电压的恒定直流电。并将其作为直流母线,为电池充电电路〔充电电路也采用IGBT充电技术,可实现电池直接挂母线方式所无法作到的充电效果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。此时无须在加一个升压环节,完全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：可控硅整流的最大缺点就是对电网的干扰问题,由于输入斩波产生的回溃污染,通常只能采用附加的输入功率因数补偿环节,如有源滤波器等。不但增加了购买UPS的费用,同时效果也不理想,无形中又增加了一个故障点。而新型的全IGBT整流可轻易地将功率因数提高到接近1。从根本上解决了对电网回溃干扰的问题。由于从前的UPS采用GTR作为逆变输出功率元件,因此其开关特性较差,即使采用了IGBT元件,由于控制上没有相应的改善,其开关频率也较低,因此输出波形不很平滑,或需要变压器等大电感元件平波。而目