1   工頻機和高頻機的定義及原理分析

UPS通常分為工頻機和高頻機兩種。工頻機由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz,顧名思義叫工頻UPS。
典型的工頻UPS拓?fù)淙鐖D1所示。

主路三相交流輸入經(jīng)過換相電感接到由三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓值。由于SCR屬于半控器件,控制系統(tǒng)只能控制開通點,一旦SCR導(dǎo)通之后,即使門極驅(qū)動撤消,也無法關(guān)斷,只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷,所以其開通和關(guān)斷均是基于一個工頻周期,不存在高頻開通和關(guān)斷控制。

由于SCR整流器屬于降壓整流,所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低,要使輸出相電壓能夠達(dá)到恒定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時,由于增加了隔離變壓器,系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離,明顯減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。

圖1  典型工頻UPS拓?fù)?/P>

同時,工頻機的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機典型母線電壓通常在300～500V之間,可直接掛接三十幾節(jié)電池,不需要另加電池充電器。

按整流器晶閘管數(shù)量的不同,工頻機通常分為6脈波和12脈波兩種類型。6脈波指以6個晶閘管組成的全橋整流,由于有6個開關(guān)脈沖對6個晶閘管分別控制,所以叫6脈波整流。6脈波整流拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2  典型6脈波拓?fù)?/P>

12脈波是指在原有6脈波整流的基礎(chǔ)上,在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈波整流器,使直流母線由12個晶閘管整流完成,因此又稱為12脈波整流。

圖3所示的兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同連接構(gòu)成12相整流電路。

圖3  典型12脈波整流器示意圖

高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成,IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動來控制IGBT的開通與關(guān)斷,IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾到幾十千赫之間,有時甚至高達(dá)上百千赫,相對于50Hz工頻, 稱之為高頻UPS。典型的高頻機拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4  高頻UPS拓?fù)鋱D

高頻UPS整流屬于升壓整流模式,其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800V左右,如果電池直接掛接母線,所需要的標(biāo)配電池節(jié)數(shù)達(dá)到67節(jié),這樣就給實際應(yīng)用帶來很大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池變換器,在市電正常的時候,電池變換器把800V的母線電壓降壓到電池組電壓值;在市電故障或超限時,電池變換器則會把電池組電壓升壓到800V的母線電壓,從而實現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機母線電壓為800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V,逆變器之后就不需要升壓變壓器了,但是沒有隔離效果。

2   工頻機和高頻機的性能對比

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問世,中小功率段的UPS產(chǎn)品也逐步高頻化。高頻UPS具有功率密度大、體積小、重量輕的特點,但在高頻UPS功率段向中大功率過渡的過程中,高頻拓?fù)銾PS在使用過程中暴露出一些固有缺點,并影響到UPS的安全使用和運行。

(1)零偏故障

某型號大容量三相高頻UPS拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5  某型號四橋臂高頻機拓?fù)?/P>

從圖中可知,UPS主路輸入是三相四線(相線+零線),整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷:零線在主路工作時不能斷開。當(dāng)A、B、C三相閉合,零線斷開時,如果UPS輸出端接不平衡負(fù)載,零點參考點突然消失,會造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障,進(jìn)而導(dǎo)致UPS后端負(fù)載設(shè)備的損壞、輸出閃斷等重大故障。如果三個相線和零線同時中斷,這種情況往往會發(fā)生在市電和發(fā)電機切換過程,此種拓?fù)涞母哳l機因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作,在特定工況下(電壓過零點,非同步切換時)可能造成負(fù)載閃斷的重大故障。而工頻機因整流器不需要零線參與工作,在零線斷開時,UPS可以保持正常供電。

(2)零地電壓抬升和電池架帶電問題

從圖4和圖5可以看到,大功率三相高頻機零線會引入整流器并做為正負(fù)母線的中性點,此種結(jié)構(gòu)不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上,抬升零地電壓,造成負(fù)載端零地電壓抬高,很難滿足IBM、HP等服務(wù)器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。

某型號高頻UPS的電池變換器采用高頻Buck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),變換器缺少必要的濾波裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量,在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如圖6所示。

 圖6  用儀表測得的充電電壓和電流高頻分量

可以明顯看到頻率為12.5kHz的高頻分量,實測電池正極與大地浮置電壓有325V,斷開電池架接地,電池架與大地間有100多伏浮置電壓。接通電池架與大地,電池架與大地漏電流高達(dá)0.11A。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(GB13870.1-93《電流通過人體的效應(yīng)》),50mA的電流就可以致人死亡。該型號UPS在電池架未與大地短接時,人體觸摸到電池架有明顯被電擊的感覺。原因是充電回路中高頻分量通過人體與大地形成通路,造成人體觸電。同時,此高頻諧波嚴(yán)重干擾了外置的UPS電池單體電壓監(jiān)控系統(tǒng),使電池電壓監(jiān)控測試儀無法正常工作。

(3)可靠性降低

自1947年首個晶體管問世,隨后不到十年,晶閘管整流器在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世,至今晶閘管已歷時半個多世紀(jì)的發(fā)展和革新,耐受高電壓、大電流晶閘管技術(shù)已非常成熟,其抗電流沖擊能力非常強。晶閘管是半控器件,不會出現(xiàn)直通、誤觸發(fā)等故障。相比而言,上世紀(jì)80年代初問世的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)有許多優(yōu)點,其開關(guān)頻率可在幾至幾百千赫之間,是目前高頻UPS主要功率器件。但是,IGBT有嚴(yán)格的電壓、電流工作區(qū)域,抗沖擊能力有限。在可靠性方面,IGBT一直比晶閘管差。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,采用晶閘管的整流器故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IGBT整流器的故障率,前者大約為后者的1/4。

工頻機通常采用晶閘管整流器,而高頻機多采用IGBT整流器。因此,工頻機在可靠性方面優(yōu)于高頻機。而大功率UPS可靠性是用戶關(guān)注的第一要素。目前市面上銷售的多款國際知名品牌工頻機產(chǎn)品在用戶端都有很好的口碑,并通過了長時間和復(fù)雜電網(wǎng)的實際驗證。
高頻大功率UPS還有諸多缺點,詳見表1。

 表1  大功率工頻UPS和高頻UPS技術(shù)對比表

不可否認(rèn),高頻UPS有一些優(yōu)點,但目前就技術(shù)發(fā)展和成熟度而言,大功率高頻機有許多缺點還需要進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化和升級。某些廠商推出的大功率高頻UPS仍在試用階段。依據(jù)“可靠性第一”原則,在重要場合使用大功率UPS,仍然以工頻機為首選。