工頻UPS與高頻UPS概念的辨析

一直以來(lái),業(yè)界對(duì)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(gè)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(lái)定義,那么不僅應(yīng)該有高頻UPS,還應(yīng)該有中頻UPS。而“工頻UPS”的說(shuō)法就師出無(wú)名了,因?yàn)?目前UPS的逆變器調(diào)制頻率大多為4～8kHz,根本沒有以工頻(50Hz)來(lái)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(jī),否則稱為高頻機(jī)。這種定義方法,在一段時(shí)間內(nèi)確實(shí)為業(yè)內(nèi)外普遍接受。但隨著UPS技術(shù)的發(fā)展,這種定義方法也顯現(xiàn)出了其不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤?無(wú)法對(duì)現(xiàn)有的UPS機(jī)型進(jìn)行準(zhǔn)確分類。

那么什么才是“高頻機(jī)”和“工頻機(jī)”的準(zhǔn)確定義呢?

1 歷史的沿革

要對(duì)“高頻機(jī)”和“工頻機(jī)”進(jìn)行準(zhǔn)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(jì)60年代,其經(jīng)典的拓?fù)湓砣鐖D1所示。

圖1 傳統(tǒng)工頻UPS拓?fù)鋱D

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?yàn)閁PS有一個(gè)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(shí),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(gè)環(huán)節(jié)用于升壓,而逆變輸出變壓器就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。

這里有一個(gè)很重要的概念:由于UPS輸出在任何時(shí)候都需要輸出穩(wěn)定的電壓,因此UPS內(nèi)部必須有一個(gè)升壓的環(huán)節(jié)。

1.2 高頻機(jī)概念的出現(xiàn)

上世紀(jì)90年代之前,沒有高頻UPS和工頻UPS的稱謂問題。高頻機(jī)的概念出現(xiàn)在90年代后期，這個(gè)時(shí)候UPS技術(shù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 高頻UPS拓?fù)鋱D

通過與傳統(tǒng)工頻UPS的拓?fù)湓韴D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(diǎn)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(guó)外將這種UPS稱為Transformer-less UPS,即無(wú)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(guó)內(nèi)則將其稱為高頻機(jī)和工頻機(jī),即以整流器的調(diào)制頻率來(lái)區(qū)分。無(wú)變壓器的UPS,其整流部分包含高頻斬波,故稱其為高頻機(jī);帶變壓器的UPS為相控整流,故稱為工頻機(jī)。

由此可以看出，工頻機(jī)和高頻機(jī)概念引入的初衷，是用來(lái)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(jī)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(shù)的不斷發(fā)展,以及UPS應(yīng)用環(huán)境要求的變化,當(dāng)初的定義逐漸顯現(xiàn)出不嚴(yán)謹(jǐn)性,造成了很多的困惑和混亂。
近年來(lái),隨著社會(huì)供電環(huán)境對(duì)綠色電源和節(jié)能降耗的產(chǎn)品需求不斷增加,UPS技術(shù)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(biāo)的整流技術(shù)。其中IGBT整流器的普遍采用是這一發(fā)展趨勢(shì)的熱點(diǎn)。

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(diǎn)。

(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(qū)動(dòng)來(lái)控制IGBT的開通與關(guān)斷,開關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 IGBT整流,無(wú)輸出變壓器UPS(高頻機(jī))

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(jī))

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(400～500V),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(jī))

圖5所示的UPS,是在圖3所示UPS的輸出端增加了一臺(tái)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?fù)鋱D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(dāng)于在一臺(tái)UPS的輸出加了一臺(tái)隔離變壓器,屬于UPS的附屬設(shè)備。

以上三種機(jī)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(jī)型都是高頻機(jī)嗎?結(jié)論顯然是否定的。

根據(jù)前面提到的工頻機(jī)和高頻機(jī)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(jī)；圖4的UPS帶有逆變輸出變壓器，屬于工頻機(jī)；而圖5的UPS則是增加了輸出隔離變壓器的高頻機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于UPS技術(shù)的發(fā)展,以整流器的調(diào)制頻率來(lái)定義高頻機(jī)和工頻機(jī),已無(wú)法對(duì)兩類UPS進(jìn)行正確的區(qū)分。

只有從UPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上,才能對(duì)兩類UPS進(jìn)行準(zhǔn)確分類。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jìn)行交流升壓;無(wú)變壓器的UPS,通過直流斬波在逆變器前端進(jìn)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(jìn)行分類,那么更準(zhǔn)確的高頻機(jī)或工頻機(jī)的定義是:通過高頻直流斬波升壓的UPS稱為高頻機(jī);通過逆變器輸出變壓器進(jìn)行交流升壓的UPS稱為工頻機(jī)。

所以,一臺(tái)高頻機(jī)即使外加了輸出變壓器也不應(yīng)稱為工頻機(jī),因?yàn)榇俗儔浩鳑]有升壓作用;而一臺(tái)工頻UPS即使采用IGBT整流也不應(yīng)稱為高頻機(jī),因?yàn)槠渖龎涵h(huán)節(jié)是變壓器。