UPS工频机高频机的定义和原理分析

时间：2020-01-05

UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅SCR（晶闸管）整流器，IGBT（绝缘栅双较晶体管）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，即使门较驱动撤消，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**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：

图二、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。

图三：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UPS 6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（注意：工频是SCR整流、IGBT逆变），电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制加在其门较的驱动来控制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**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较大的限制。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****，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功率段向中大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**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，FLUKE仪表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，实测电池正极与大地浮置电压有325V，断开电池架接地，电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地，电池架与大地漏电流高达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在电池架未与大地短接时，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大地形成通路，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法正常工作。

3）**性降低。

自1947年底一个晶体管问世，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（绝缘栅双较晶体管）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**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**性方面优于高频机。而大功率UPS**性是用户关注的**要素。目前市面上销售的多款国际****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，总结如下，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
1	采用IGBT整流技术，根据统计数据，IGBT整流故障率远可控制硅整流**	采用可控硅整流技术，系统**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****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**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**；
7	主路旁路N线相同，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**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无法正常工作，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。且系统性降低**	电池直接挂接母线，逆变**，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**性**原则下，使用在重要场合的大功率UPS，仍然以工频机为可以选择。

其他资料总结

一、工频UPS工作原理存在的优越性　　1. 工频UPS，用数字信号处理技术确保测量数据**、灵活，从而产生**的控制变量，确保对充电器及逆变的实时控制。　　2. 工频UPS比高频UPS具有更强大的短路保护能力及更强大的过载能力。　　3. 由于中国市电环境的较不稳定和易受到一些外部情况的干扰，所以对短路能力及过载能力的要求也更高。采用工频UPS，将较大地提高负载设备的安全性与稳定性。　　
二、工频UPS硬件配置存在的优越性　　1．从技术上，工频UPS比高频UPS多增加了输入和输出变压器　　(1). 工频UPS*有标配的输入/输出变压器，使电流隔离免受输入干扰。在工业环境中，有些外部设备是大的干扰输入，如泵、发动机等等。这些干扰容易造成电流波动，影响负载的安全，因此，电流隔离对于这领域尤为重要。　　(2). 高频UPS为了降低产品成本则不含这些组件，相应的电流稳定性就不如工频UPS。　　2．工频UPS设备零部件设计的优越性　　(1). 工频UPS的零部件可根据客户的规格和需要设计，每个零部件都能承受较高的额定功率且具有较长的寿命，旨在确保用户设备操作过程的安全与持久。　　(2). 高频UPS在设计上旨在降低成本，所以其零部件仅符合较低的额定功率要求。　　3．对工业的苛刻环境有较强的适应性　　工频UPS主要设计在苛刻的工业环境下使用，防护等级达到了IP54，而高频UPS不具备这种适应能力。　　(1). 工频UPS设计的定位就是在工业环境中工作，如石化、电力、交通运输行业等等。应用于各种苛刻的工业室外环境，防止外部输入干扰，如高温、高湿、粉尘、震动、腐蚀、爆炸危险型气体及一些无法预测的环境。　　(2). 工频UPS可适应高温环境0~55℃，相对湿度0%~95%，防尘、防雨水。诸如中国海洋石油公司，中国石化公司这样规模的大公司选择使用的工频UPS产品，就是因为它具备高**的苛刻工业室外环境适应能力。　　(3). 高频UPS不是专为工业环境设计，所以只能安装在清洁的、较安全的、可预测的环境中。如安装于空调房、低温、无尘等环境。　　4．工频UPS设备寿命的优越性　　工频UPS设计寿命**过20年，而高频UPS设计寿命为3~5年。　　(1). 根据工频UPS销售经验，许多设备都能正常工作15至30年　　(2). 工频UPS的设计方向就是延长系统持续工作的寿命，以符合需要**命**的一些应用领域，如石化厂或电站。所以，即便是工频UPS早期的投入较高频UPS大，但在20年以上的时间内其产品都*要更换设备，而且备品备件在停产后的后备储存期也相对的比高频UPS长很多。　　(3). 高频UPS设计寿命仅为3~5年，5年后设备就需要更换。而且备品备件的储备也较其有限。　　5．方便的前端维护　　工频UPS系统自行维护时间很长，而高频UPS系统自行维护时间较短。　　(1). 工频UPS设计有方便的前端维护，并可在系统停产后长时间的提供备品备件，方便维护。且工频UPS使用和维护服务期都**过20年。　　(2). 高频UPS的购买、使用及更换时间相对较短。　　
三、工频UPS输出的电源质量存在的优越性　　1．工频UPS*有的输入输出变压器。使电流隔离免受输入干扰的同时，也将提高较终电源输出的质量。在像石化领域一类的恶劣工业环境中，输出电源质量的优劣，将直接影响整个工厂设备、人员的安全性及生产能力。　　2．商务型的UPS并不具备上述组件，所以也不具备如此强大的功能。　　
四、工频UPS过载切换存在的优越性　　强大的过载能力　　工频UPS设计有强大的过载能力。当设备过载时，由于其具有的过载能力强，所以UPS切换至旁路运行的可能性很小。这将大大增加系统的安全性。因为当切换至旁路运行时，同则意味着负载不再由逆变器或蓄电池供电。　　高频UPS的过载能力相对工频UPS较低，当发生意外过载时，容易由UPS切换至旁路运行，这将会把系统置于一个较不稳定的状态，增加了旁路开关因瞬时过载而跳闸的可能性，影响了系统的安全性。

一、定义
   1、高频机：利用高频开关技术，以高频开关元件替代整流器和逆变器中的工频变压器的UPS，俗称高频机，高频机体积小、**。
2、工频机：采用工频变压器作为整流器与逆变器部件的UPS俗称工频机，主要特点是主功率部件稳定**、过负荷能力和抗冲击能力强。
二、主要区别
   1、高频机不带隔离变压器，其输出零线存在高频电流，主要来自市电电网的谐波干扰、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波干扰等，其干扰电压不仅数值高而且难以消除。而工频机的输出零地电压更低，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。
   2、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（DC BUS）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。
   3、工频机的抗负载冲击能力较强。

词条
词条说明
柴油发电机组安装
1、安装地点需保持通风良好，发电机端应有足够的进风口，柴油机端应有良好的出风口。出风口面积应大于水箱面积1.5倍以上。 2、安装地的周围应保持清洁，避免在附近放置能产生酸性、碱性等腐蚀性气体和蒸汽的物品。有条件的应配置灭火装置。 3、若在室内使用，**将排烟管道通到室外，管径**≥消音器的出烟管直径，所接之管路的弯
UPS针对电机类负载的适应性设计
在一些需要**负载不断电的应用场合里面，有时客户会发现UPS频繁出现DC BUS高保护，或者负功保护等。一些客户会据此认为是UPS的质量问题。实际上多数情况下这都是由于后面带有电机类负载产生的现象。在工业场合中，电机是一种主要的负载形式。当工业应用中的关键环节必需有足够高的电源保护等级时，UPS与电机类负载的配合问题就是一个要**考虑的因素。通常UPS的设计
选择UPS电源电池的性能及标准
容量：表示电池在充满电的情况下的储能多少，用放电电流与放电时间的乘积来表示。C窖量(C)=I放电电蠢(A)×T城电时问(h) 放电功率：表示放电至终止的电流的大小或时间的快慢，可用电流来表示。如一个6.**H的电池，充满之后以325mA恒流放电，经过20小时后达到其放电终止电压，放电率若以电流来表示则为0.325安率；若以放电时间来表示则为20小时放电率。放电电流：放电电流就是电池
控制系统性能特点
控制系统性能特点： ■多台机组并联成电网，自动分配负载，供电更**。 ■集中调度、能使保养、维护更方便。 ■更具经济性，可根据负载的大小，投入适当机组运行，以减少燃油、机油浪费。 ■未来扩展更具弹性，可根据扩展的需要，随时增加发电机组，满足负载增加的需求。并联系统分类： ■手动并联屏——自动负载分配，人工调度，手动投入，手动解列。 ■自动并联屏——自动负载分配，人工调度，自动投入，手动解列。