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工频机与高频机的区别
2010-11-11 20:08:50   华劲旗官方网站    浏览次数:

工频机与高频机的区别

UPS/EPS/逆变器等按设计电路工作频率来分,可分为工频机和高频机。工频机是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。而高频机是以微处理器(CPU蕊片)作为处理控制中心,是将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中,以软件程序的方式来控制UPS的运行。因此,体积大大缩小,重量大大降低,制造成本低,售价相对低。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。

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)、噪音低,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,对市电恶劣的环境下,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。两者的选择要根据客户的不同、安装环境、负载情况等条件权衡考虑。

工频机的特点是简单,存在的问题是:

1)输入输出变压器尺寸大;

2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大;

3)变压器和电感产生音频噪声;

4)对负载和市电变化的动态响应性能较差。

5)效率低;

6)输入无功率因数矫正,对电网污染较严重;

7)成本高,特别对于小容量机型,无法与高频机相比。

工频机与高频机的可靠性比较:

1,高频机不可靠是站不住脚的,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绝对主力方向,30KVA及以下的机器都以高频机为主,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,特别是高频机可以作到输入有源功率因数矫正,真正代表将来绿色电源的发展趋势。

2,凡是对高频机可靠性提出质疑的,可以肯定,是国内的杂牌小UPS厂商。他们本身技术力量有限,测试设备不足。因此在开发高频机的过程中受开发水平的限制无法完善机身性能,从而只能在引进80年代末台湾厂商的技术的基础上完善工频机。工频机向高频机的发展很重要的一点是高频开关控制的抗干扰问题,而这个问题已随着Avansys/Huawei安圣/山特/华为/华劲旗使用DSP全数字控制技术而得到解决。

 

UPS 高频机与工频机的技术区别

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。

IGBT逆变器+升压变压器

新型全IGBT UPS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、或是可靠性都大大地提高了,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,每个环节都是将压环节: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底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范围,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IGBT UPS。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。而目前的UPS数字化控制,逆变输出的开关频率非常高,因此输出波形平滑,无须较大的电感元件,更可省掉变压器。

        在充电环节上,全IGBT UPS具有更明显的优势。早期UPS采用电池直接挂直流母线的做法,电池的充电电压只能通过可控硅整流控制,只能作到恒压限流的传统充电方式,而且充电参数几乎不可改变。而实际上,UPS电池的配置是灵活多样的,对不同容量的电池采取同样的充电参数显然会对电池延寿不利。而采用全IGBT技术的UPS,在直流母线上引出的直流电经过IGBT斩波控制,可实现对电池的精确充电,并可通过数字化控制细化参数设置,作到为每种配置的电池指定最适合的充电方案,达到延长寿命的目的。四通的ABM电池管理技术就是在全IGBT结构的硬件基础上通过合理的程序控制实现的。

        变压器在全IGBT技术UPS中,作为可选配置为一些有特殊要求的用户配置。其功能也主要是适应现场特殊电力状况,例如现场输入电为三相角形输入时,采用输入角/星变压器可使UPS在角型输入的现场得以应用;再如现场要求UPS必须为单相输出,且功率数较高时(一般容量大于20KVA时,UPS很少有单相输出的标准形式,都采用三相输出形式),可采用输出的三相/单相变压器,提供供电形式转换,满足用电要求。还有一些用电场合要求输入电与输出电的全隔离,可在UPS输出一测配置隔离变压器,可有效抑制共模躁声。但需要注意的是,采用可控整流的UPS虽然标准配置具有变压器,但其隔离效果不一定完善,主要是隔离变压器的位置应加在UPS旁路输出与逆变输出的公共输出测才可完全作到输入与输出的电气隔离,而可控硅整流UPS的输出升压变压器只是提升逆变输出的电压,而对旁路输出不起作用(除非具有双隔离变压器将逆变输出与旁路输入同UPS输出隔离开来)。

 
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