從工頻機(jī)UPS到高頻塔式機(jī)UPS的發(fā)展

工頻機(jī)結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，因其整流工作頻率與電網(wǎng)頻率一致而得名。受制于當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，逆變器中IGBT器件耐壓只能做到600V，故母線電壓受限，逆變器輸出電壓不能做到380V;而且工頻機(jī)逆變器是全橋電路，輸出為三相火線，無法滿足單相IT負(fù)載和三相四線制負(fù)載的需求，必須進(jìn)行Δ-Y轉(zhuǎn)換。為解決這些問題，廠家在工頻機(jī)逆變器輸出端加入了變壓器用于升壓和產(chǎn)生中線，以使輸出電壓滿足負(fù)載的要求，這便是工頻機(jī)內(nèi)置變壓器的真實(shí)目的。圖-1所示為工頻機(jī)的典型拓?fù)洹?/span>

　　圖-1 工頻機(jī)典型拓?fù)?/span>

　　而到上世紀(jì)90年代，第三代溝槽型IGBT面世，其耐壓能力提升至1200V，促使了UPS技術(shù)的革新。通過整流側(cè)高頻升壓電路將母線電壓提升至700V左右，逆變器輸出電壓可以做到380V，輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻(幾kHz以上)且沒有輸出變壓器的UPS就被稱為高頻UPS。圖-2所示為一典型的高頻機(jī)拓?fù)洹?/span>

圖-2 高頻機(jī)典型拓?fù)?/span>

高頻UPS與工頻UPS的對(duì)比

1. 工頻機(jī)輸入功率因數(shù)低、諧波高

　　工頻機(jī)UPS采用可控硅半控整流，6脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)低于0.7，諧波高達(dá)30%;12脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)最高僅為0.8，諧波高達(dá)15%，即使加上諧波處理措施，功率因數(shù)最高也只能改善至0.95。相比之下，高頻機(jī)采用IGBT-PFC全控整流，輸入功率因數(shù)業(yè)界均可做到0.99，諧波電流小于3%。嚴(yán)重的諧波污染不僅可能干擾其他設(shè)備無法工作、使控制與保護(hù)器件誤動(dòng)作外，而且直接導(dǎo)致投資大幅增加：客戶需要購買額外的諧波處理設(shè)備降低諧波;如果前端接柴油發(fā)電機(jī)備電，發(fā)電機(jī)的容量要配置為UPS容量的2-3倍，同時(shí)前級(jí)配電器件、線纜等均需要提升20%左右，而高頻機(jī)只需前端發(fā)電機(jī)容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可，配電容量和UPS容量保持一致或略高。

2. 工頻機(jī)功耗大

　　有三個(gè)因素導(dǎo)致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓?fù)?，器件工作電流大，無論是內(nèi)部線路無論是線性損耗還是平方損耗都比高頻機(jī)高;二是因輸出需要升壓的原因工頻機(jī)比高頻機(jī)多內(nèi)置一個(gè)輸出變壓器，致使工頻機(jī)效率下降2%-3%左右;三是在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高輸入功率因數(shù)至0.95以上，并降低其注入電網(wǎng)的諧波污染，工頻機(jī)還要外置一個(gè)5次或11次諧波濾波器，效率將再次下降2%-3%。據(jù)英國(guó)某運(yùn)營(yíng)商與西班牙某運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工頻UPS的效率一般在85%左右，相比高頻92%左右的運(yùn)行效率和模塊化96%左右的運(yùn)行效率，導(dǎo)致大量的能量損失。以400kW負(fù)載為例，工頻機(jī)將比高頻機(jī)年多耗電41萬度，比模塊化年多耗電近58萬度。除此之外，工頻UPS還有高諧波、低功率因數(shù)等導(dǎo)致配電線纜損耗增大等問題。

3. 工頻機(jī)體積大、重量重

　　因?yàn)楣ゎl機(jī)采用低頻器件且配置輸出變壓器，致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機(jī)和高頻機(jī)對(duì)比，工頻機(jī)重量是高頻機(jī)的2.2倍，體積是高頻機(jī)的1.5倍，在實(shí)際運(yùn)輸中可能存在機(jī)房門或者走道偏小、電梯載重不夠、樓層承重不足等問題，有些情況下甚至需要用吊車裝卸，然后破墻而入來安裝工頻UPS，大大增加了運(yùn)輸時(shí)間及成本。

4. 工頻機(jī)相比高頻機(jī)在可靠性方面并無優(yōu)勢(shì)

　　工頻機(jī)和高頻機(jī)的主要差異體現(xiàn)在整流器和變壓器上。工頻機(jī)整流器采用SCR器件，電壓應(yīng)力小，電流應(yīng)力大，高頻機(jī)主要采用IGBT器件，電流應(yīng)力小，電壓應(yīng)力大。SCR與IGBT目前均為成熟器件，只要應(yīng)用得當(dāng)，可靠性并不會(huì)有差異。事實(shí)上，工頻機(jī)的逆變部分也是使用IGBT，并沒有因此而降低工頻機(jī)的可靠性，也沒有證據(jù)證明逆變器是工頻機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)。從拓?fù)渖现v，工頻機(jī)用的是相控整流+全橋逆變，高頻機(jī)一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓?fù)渚鶠殡娏﹄娮蛹夹g(shù)上非常常用的拓?fù)?，并不存在誰原理上更可靠的問題，其可靠度取決于設(shè)計(jì)的水平。

　　而對(duì)于變壓器，業(yè)界經(jīng)常可以聽到其很多所謂的優(yōu)點(diǎn)，比如抗沖擊能力強(qiáng)、降低零地電壓等，然而真的是這樣嗎?

　　第一，過載能力強(qiáng)，抗負(fù)載沖擊能力強(qiáng)。過載能力是IEC62040-3中要求標(biāo)稱的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其強(qiáng)弱可通過實(shí)際數(shù)據(jù)來衡量。表-1所示為同一廠商的工頻機(jī)與高頻機(jī)過載能力，由表-1可知，兩類機(jī)型過載能力并沒有區(qū)別。

　　表-1 某廠商工頻機(jī)與高頻機(jī)過載能力對(duì)比 　　輸出變壓器并不會(huì)增強(qiáng)工頻機(jī)的抗沖擊能力，對(duì)于變壓器可以增強(qiáng)抗沖擊能力的想象來源于變壓器的電感特性，電感平滑電流的能力在負(fù)載電流激增時(shí)可以平滑電流波形延緩電流沖擊。但實(shí)際上電感平滑電流的能力與其本身感量成正比。工頻機(jī)輸出變壓器變比小，變壓器輸出繞組的勵(lì)磁電感也不會(huì)太大，在大電流沖擊下極易飽和，很難對(duì)逆變器的沖擊有明顯的緩沖作用。而按照傳統(tǒng)變壓器傳遞能量的特點(diǎn)與磁性器件原理分析，當(dāng)后級(jí)負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時(shí)，在變壓器能量傳遞能力達(dá)到飽和上限之前，后端的尖峰勵(lì)磁電流會(huì)直接反射到前端對(duì)UPS的IGBT產(chǎn)生沖擊，并且由于變壓器的變比問題前端所受到的沖擊電流會(huì)比輸出端更大，同時(shí)造成的損害也更為嚴(yán)重。而且，工頻系統(tǒng)由于變壓器的磁滯特性，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)后級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級(jí)時(shí)，系統(tǒng)采取相關(guān)動(dòng)作較無變壓器的高頻機(jī)來說會(huì)延遲幾十甚至幾百個(gè)ms，此時(shí)流過IGBT的沖擊電流已經(jīng)足夠損壞UPS甚至引發(fā)火災(zāi)。

　　第二，在逆變器IGBT管直通故障時(shí)隔斷直流危險(xiǎn)電壓。工頻機(jī)變壓器確實(shí)可以避免直流傳遞至副邊，但高頻機(jī)通過快速檢測(cè)與保護(hù)措施一樣可以避免直流危險(xiǎn)電壓對(duì)負(fù)載造成危害。當(dāng)高頻機(jī)逆變某IGBT出現(xiàn)直通故障時(shí)，UPS控制器可立即檢測(cè)輸出電流異常，并通過整流單元關(guān)機(jī)及輸出端口熔絲保護(hù)等措施快速隔斷直流危險(xiǎn)電壓到輸出端口的路徑。在保護(hù)過程中，輸出到負(fù)載端口的電壓約為持續(xù)幾個(gè)ms的400V直流。對(duì)于使用開關(guān)電源供電的IT負(fù)載來說，其輸入允許電壓可以達(dá)到276Vac，整流之后電壓也在400Vdc左右，器件選型等均依據(jù)母線電壓選型。此時(shí)輸入端口的400Vdc不會(huì)超出器件耐受范圍，不可能對(duì)設(shè)備造成傷害。而對(duì)于工頻機(jī)而言，其原邊加載直流電壓，將導(dǎo)致電流急劇增大，溫度快速上升，可能引發(fā)火災(zāi)等更嚴(yán)重故障。

　　第三，可以降低零地電壓。許多服務(wù)器等設(shè)備都有零地電壓的要求，盡管這樣設(shè)計(jì)的原因已無法考證，因?yàn)閺睦碚撋蟻碚f零地電壓的大小并不會(huì)影響IT設(shè)備的正常工作。在數(shù)據(jù)中心中，IT設(shè)備只允許使用TN-S或TN-C-S供電制式，那么IT設(shè)備輸入端口的零地電壓主要由零線接地點(diǎn)(TN-S系統(tǒng))或零線與地線分離點(diǎn)(TN-C-S系統(tǒng))至IT輸入端口的零線阻抗與零線電流及系統(tǒng)中三次諧波電流決定。在相同的系統(tǒng)中，無論是工頻機(jī)還是高頻機(jī)均不會(huì)影響零線阻抗，而零線電流及三次諧波電流主要是與三相負(fù)載配置與負(fù)載特性有關(guān)，即UPS的類型不會(huì)對(duì)于零地電壓不會(huì)有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如果需要改善零地電壓，最好是從配電系統(tǒng)入手，著手減少線路阻抗與零線電流。減少線路阻抗最有效的方式即在負(fù)載的列頭柜內(nèi)置隔離變壓器。需要注意的是在應(yīng)用時(shí)有將工頻機(jī)變壓器副邊直接接地的做法，這是一種不規(guī)范的做法。工頻機(jī)變壓器N線并未隔離，對(duì)于TN-S系統(tǒng)和N與PE已經(jīng)分開的T