深圳UPS电源厂家对高频机UPS与工频机UPS作出区别

2019-07-12 18:59
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高频机UPS与工频机UPS的区别

深圳UPS电源厂家技术总是在发展的,新技术代替旧技术是历史的发展规律。然而,新旧之间的替代与转换一般并不是那么顺利,人类社会是这样,自然、科技领域也是如此。现在的电子技术已进入数字化时代,这是不可逆转的技术发展规律,各行各业迟早都要集中到这一条路上来,但就某一个时期来说发展是不平衡的,这中间有很多因素的影响,比如各自的技术发展水平不同,人员对新技术的认识和接受能力不同等等。具体到UPS领域又何尝不是如此。

一、工频机UPS和高频UPS的一般概念

静止变换式工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代,毫无疑问在当时属尖端技术,几十年间也为电子电器技术领域作出了不朽的贡献,有口皆碑。一般说任何技术的先进性是相对而言,任何先进的产品也有其一定的适用期。随着IT技术的出现与发展,工频机UPS组件暴露出它的缺点,比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等不利因素大大影响了数据中心的可靠性。

在历史发展中总是遵循这样一个规律:每当一种技术阻碍生产力发展时,就会有一种新的技术产生出来代替。毫不例外,高频机UPS技术问世了。为了区别以前的UPS,就起了一个高频机UPS的名字。原来那种输入输出都工作在50Hz并且有输出变压器的老的电路结构就称作工频机UPS;而这种输入输出电路都工作在20kHz以上且没有的输出变压器的电路就称为高频机UPS。


二、高频UPS比工频机UPS有哪些优点

1、   输入功率因数高

工频机UPS一般在200kVA以下的输入电路都采用了可控硅6脉冲整流,输入功率因数不超过0.8,谐波电流有30%之大。如果前面接发电机,发电机的容量至少要3倍于UPS功率;如果是单相小功率UPS,发电机的容量至少要5倍于UPS功率。

但是,任何容量的高频机UPS的输入功率因数都可做到0.99或甚至以上,谐波电流小于5%,前置发电机的容量理论上和UPS功率相同,大大缩减了投资和占地面积等。尤其是对市电的充分利用具有良好的经济意义和社会意义。

2、本身功耗小

    在同样指标下,比如要求输入功率因数为0.95以上时,工频机UPS就必须外加谐波滤波器或改为12脉冲整流,就是说前面要增加一个设备,再加上输出变压器,就比高频机UPS多了两个环节,如图1所示。由于此二者的影响,使得工频机UPS的效率比高频机UPS低5%。这在中央号召节能减排的今天,能源的节约具有深远意义。

3、   对外干扰小

UPS的干扰一般有两种,一种是听得到的机械噪声,一种是听不到的电噪声,这两种噪声工频机UPS都有,形成了对设备和对人的伤害。电噪声影响机器的稳定度,机械噪声影响人的身心健康,降低工作效率。

而高频机UPS由于工作在20kHz以上,20kHz是人的耳朵听不到的频率,使工作环境安静下来。又由于一般的高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上,几乎是线性,所以对外干扰几乎为零。

4、   体积小、重量轻

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工频机UPS由于有了输出变压器和适应50Hz的电感电容等低频器件使得体积重量都很大。

5、全数字技术

工频机UPS开始是模拟技术,现在一般发展为数字与模拟相结合的技术。模拟技术的可靠性要比数字技术低。而高频机UPS技术是一种全数字化技术,不言而喻,可靠性是很高的。

6、对电网的适应能力强

工频机UPS对于适应输入电压±15%的变化已很不易;而高频机UPS甚至适应输入电压±30%以上的变化,这又大大延长了UPS的电池寿命。

7、能将并机环流衰减到几乎为零

工频机UPS的并联就是变压器的直接并联,而变压器的直接并联最容易产生环流,而且这个环流的路径畅通无阻;高频机UPS由于没有输出变压器,小于2V的电压差根本形不成环流,而工频机UPS在此情况下就会形成很大的环流。

  总之,高频机UPS在性能上不但能完全替代工频机UPS,而且还具有很多后者没有的特点。


三、浅谈工频机结构UPS与高频机结构UPS

随着计算机在各行各业的广泛应用,负载对供电质量的要求越来越高,各行业部门都普遍采用了安全可靠的UPS供电系统作为电源保障,在当今节能减排的大趋势下,作为供电系统核心的UPS,其本身是否高效节能、绿色环保得到了用户的广泛关注。

UPS技术也随着计算机、电力电子领域的新技术、新理念的不断发展而进步,UPS产品性能上、外观尺寸上、对环境的适应性及可靠性方面,都有了显著的提高。

  目前,UPS通常分为工频机结构UPS和和高频机结构UPS两种。以下就这两种UPS的定义和区别做一简单介绍。

1.工频机结构UPS与高频机结构UPS的定义

  工频机结构UPS和高频机结构UPS是按其设计电路工作频率来区分的。工频机结构UPS是以传统的模拟电路原理设计,由可控硅SCR整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。

  而高频机结构UPS通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几k到几十kHz,甚至高达上百kHz,远远高于工频机,因此称为高频UPS。

2.工频机结构UPS与高频机结构UPS的区别

(1)电路结构的区别

  在工频机结构UPS电路中,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。由于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,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,不存在高频的开通和关断控制。由于SCR整流器属于降压整流,因此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。

  相比而言,高频机结构UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,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。因此一般高频机结构UPS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。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。因此,隔离变压器是工频机与高频机在组成上的主要区别。

  工频机结构UPS都有输出变压器,在多机并联时就会出现多个变压器的并联。变压器的并联是电力行业尽量避免的情况,因为变压器并联时的环流不可避免,环流的长期存在将导致设备寿命缩短。而高频机结构UPS因没有输出变压器,所以几乎没有环流。

  有的用户认为变压器可以起到具有抗干扰和缓冲负载突变的作用,其实并非如此。UPS负载的用电要求必须有零线,如果没有工频结构UPS没有输出隔离变压器,将一根火线硬性接零线,就会导致UPS的工作不正常。因此说,输出隔离变压器是工频机结构UPS必不可少的为了变压和隔离零线的目的而接入的一部分,而不具备为用户负载隔离干扰和缓冲负载突变的功能。

(2)性能指标的区别

  能耗是各行业数据中心和机房面临的难题,因此节能减排的负载和供电设备,而当前的工频机结构UPS和高频机结构UPS在节能减排上主要有以下区别:

①输入功率因数

  中大功率的三相工频机结构UPS在6脉冲整流的情况下输入功率因数约为0.8,不但对外有干扰,而且要求前面的发电机功率要3倍于UPS容量,即使在12脉冲整流选配谐波滤波器的条件下输入功率因数也低于0.95,而且增加设备量,加大了用户的投资成本和占地面积。而高频机结构UPS在不加任何外来设备的情况下输入功率因数大于0.99,从理论上说,后备发电机容量可与UPS一致,节省了投资和占地面积。

②对外干扰

UPS的对外干扰一般有两种,一种是听得到的机械噪声,一种是听不到的电噪声,工频机UPS会产生这两种噪声,电噪声会影响机器的稳定度,机械噪声影响人的身心健康,降低工作效率。

  而高频机UPS由于工作在20kHz以上,20kHz是人的耳朵听不到的频率,使工作环境安静下来。又由于一般的高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上,几乎是线性,所以对外干扰几乎为零。

③体积和重量

  工频机UPS由于配备输出变压器以及50Hz的电感电容等低频器件,使得体积、重量都很大。高频机在体积和重量上与之相比具有明显的优势。

④采用技术

  工频机UPS早期采用的是模拟技术,现在一般发展为数字与模拟相结合的技术。模拟技术的可靠性要比数字技术低。而高频机UPS技术是一种全数字化技术,可靠性很高。

3.高频机结构UPS的技术发展和进步

  目前,数据中心供电系统除了注重可靠性、可用性以外,节能减排是数据中心设备面临的重大问题,而作为为负载提供不间断电源的UPS供电系统,其自身供电效率的高低也部分决定了数据中心能耗的高低。一些用户在电子技术和设备技术突飞猛进的今天仍沿用以前的陈旧观念,认为工频机结构UPS是成熟可靠的,即使市场已出现高频机结构UPS的技术和产品,也认为高频机是新技术、新产品,在技术上不成熟。其实高频机结构(全IGBT)UPS早在1998年就已问世,而且容量在当时就已做到了480kVA,并经过了十多年的市场验证。

①单机容量

  当前衡量UPS的技术高低和成熟水平的一个重要指标就是看其容量多大,深圳UPS电源厂家的水平,也反映出这个厂家的技术实力和市场规模。IGBT在UPS中的应用最早只限于逆变器。这主要是因为IGBT的电流虽然做得比较大,但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围。经过这十多年的发展,IGBT制造技术也有了长足的进步,几经改进,已经达到了用于UPS整流器的条件。目前已有一些厂家将IGBT整流的高频机结构UPS容量做到了200kVA左右。与可控硅相比IGBT的电流容量与耐压还是有些距离,所以器件的并联就成了关键。但任何问题都是可以解决的,这其中就不乏佼佼者,深圳UPS电源厂家就将高频机结构UPS容量做到了500kVA,有的厂家更是突破了并联的禁区,一举将单机容量做到了1200kVA,覆盖了工频机结构UPS当前达到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高频化的进程。,

②模块化

  所谓“N+X”模块化冗余UPS不但可以冗余并联、热插拔,而且必须是在一个机箱中至少有两个相同规格容量的单机,否则就和以往的多机UPS并联没有区别。一个中等规模的机房既可采用模块化UPS集中供电,又可以采用双总线方式供电,还可多机并联。目前模块化UPS产品几乎都采用高频化结构技术。

4、结语

综上所述,从性能和节能方面来讲,传统的UPS系统中由于采用工频逆变器,逆变效率不高,并配有工频变压器,体积庞大笨重、能耗高和成本高,已逐渐不适应目前节能减排的需求。而全IGBT高频机结构UPS历经10多年的发展,具有采用模块化设计,尺寸小、重量轻、扩容方便、运行效率高、噪音低、性价比高等特点,其技术和产品趋于成熟。随着半导体技术的日益发展,深圳UPS电源厂家高频UPS在技术和市场方面的优势将越来越明显。