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UPS电源工频机与高频机的比较

2019-09-11 03:42:56    3305次浏览

UPS电源工频机与高频机的比较

世界知名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。

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。

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。所以国际上的知名公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产。

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。

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为。工频机的特点是简单,存在的问题是:

输入输出变压器尺寸大

用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大。

变压器和电感产生音频噪声。

对负载和市电变化的动态响应性能较差。

效率低。

输入无功率因数校正,对电网污染较严重。

成本高,特别对于小容量机型,无法与高频机相比。

世界知名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。

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,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,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。

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