UPS工频机高频机的定义和原理分析.pdf

"UPS工频机高频机的定义和原理分析" UPS（Uninterruptible Power Supply，非断电电源）是一种具有备用电池和变换器的电源系统，旨在提供稳定的电力供应，以保护计算机、服务器、医疗设备、通信设备等敏感设备免受电力中断的影响。在 UPS 系统中，工频机和高频机是两种常见的 UPS 类型，它们在设计理念、工作原理和应用场景上存在一定的差异。 工频机 UPS 的定义和原理分析： 工频机 UPS 由可控硅 SCR（晶闸管）整流器、IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。工频机的整流器和变压器工作频率均为工频 50Hz，因此称为工频 UPS。工频机的典型拓扑结构如下： * 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。 * 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，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断。 * 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，就必须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，显着减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。 工频机的优点是可以实现电池直接挂接母线成为可能，工频机典型母线电压通常为 300V~500V 之间，直接挂接三十几节电池，不需要另外增加电池充电器。 高频机 UPS 的定义和原理分析： 高频机 UPS 由 IGBT 高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成，IGBT 可以通过控制加在其门极的驱动来控制 IGBT 的开通与关断，IGBT 整流器开关频率通常在几 K 到几十 KHz，甚至高达上百 KHz，相对于 50Hz 工频，称之为高频 UPS。 高频机 UPS 的典型拓扑结构如下： * 高频 UPS 整流属于升压整流模式，其输出直流母线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极大的限制。 * 因此，高频 UPS 通常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；市电故障或超限时，电池变换器把电池组电压升压到 800V 的母线电压。 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 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。 * 零偏故障：某型号大容量三相高频 UPS 拓扑如下，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。 * 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 等服务器厂商的要求。 工频机和高频机 UPS 都有其优点和缺点，选择哪种 UPS 产品取决于实际应用场景和技术要求。