工頻UPS與高頻UPS概念的辨析

一直以來,業界對工頻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:一是逆變器調制頻率論。即逆變器調制頻率高于20kHz的UPS稱為高頻UPS,低于這個頻率的UPS稱為工頻UPS。這種定義方式經不起推敲的地方在于,如果以逆變器調制頻率來定義,那么不僅應該有高頻UPS,還應該有中頻UPS。而“工頻UPS”的說法就師出無名了,因為,目前UPS的逆變器調制頻率大多為4～8kHz,根本沒有以工頻(50Hz)來調制的。二是整流器調制頻率論。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,否則稱為高頻機。這種定義方法,在一段時間內確實為業內外普遍接受。但隨著UPS技術的發展,這種定義方法也顯現出了其不嚴謹的地方,無法對現有的UPS機型進行準確分類。

那么什么才是“高頻機”和“工頻機”的準確定義呢?

1 歷史的沿革

要對“高頻機”和“工頻機”進行準確定義,首先必須了解定義本身的歷史沿革。

1.1 傳統工頻經典UPS

靜態UPS出現于上世紀60年代,其經典的拓撲原理如圖1所示。

圖1 傳統工頻UPS拓撲圖

可以看到傳統的工頻UPS由整流器、逆變器、靜態旁路、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。這是因為UPS有一個重要的功能就是穩壓,而整流、逆變兩次變換均為降壓環節(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,也要保證穩定不變的輸出電壓,所以UPS內部必須有一個環節用于升壓,而逆變輸出變壓器就是用來實現這一功能的。

這里有一個很重要的概念:由于UPS輸出在任何時候都需要輸出穩定的電壓,因此UPS內部必須有一個升壓的環節。

1.2 高頻機概念的出現

上世紀90年代之前,沒有高頻UPS和工頻UPS的稱謂問題。高頻機的概念出現在90年代后期，這個時候UPS技術出現了一次革命，即出現了不帶逆變輸出變壓器的UPS。其典型的拓撲結構如圖2所示。

圖2 高頻UPS拓撲圖

通過與傳統工頻UPS的拓撲原理圖比較,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典的UPS變壓器交流升壓。

這種UPS的優點是省掉了逆變器輸出變壓器,極大地節省了成本,減小UPS的占地面積和重量。另外,由于在斬波升壓環節增加了功率因數校正功能,使這種UPS具有非常好的輸入功率因數。

國外將這種UPS稱為Transformer-less UPS,即無變壓器的UPS,而將傳統工頻UPS稱為Transformer UPS,即帶變壓器的UPS。而國內則將其稱為高頻機和工頻機,即以整流器的調制頻率來區分。無變壓器的UPS,其整流部分包含高頻斬波,故稱其為高頻機;帶變壓器的UPS為相控整流,故稱為工頻機。

由此可以看出，工頻機和高頻機概念引入的初衷，是用來區分UPS是否帶有逆變器輸出變壓器的。

2歧義的產生

在高頻機概念出現的初期,其定義基本上還能正確區分兩類UPS。但隨著UPS技術的不斷發展,以及UPS應用環境要求的變化,當初的定義逐漸顯現出不嚴謹性,造成了很多的困惑和混亂。
近年來,隨著社會供電環境對綠色電源和節能降耗的產品需求不斷增加,UPS技術有了很大發展,尤其是以高輸入功率因數和低諧波輸入為目標的整流技術。其中IGBT整流器的普遍采用是這一發展趨勢的熱點。

IGBT整流器與SCR(晶閘管)整流器性能的不同之處主要表現在兩點。

(1)輸入參數的不同。SCR(晶閘管)整流器為相控調制,只能工作于工頻,輸入功率因數較低,輸入電流畸變較大。而IGBT整流器可通過控制其門極的驅動來控制IGBT的開通與關斷,開關頻率通常在幾千赫到幾十千赫。通過調制,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需要調節其高低,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的拓撲結構如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 IGBT整流,無輸出變壓器UPS(高頻機)

圖3所示的UPS,市電輸入經過IGBT調制整流,并將直流電壓升壓至800V左右,直接通過逆變器調制濾波后輸出所需的穩定電壓。

圖4 IGBT整流,帶輸出變壓器UPS(工頻機)

圖4所示的UPS,市電輸入經過IGBT調制整流,獲得直流電壓(400～500V),經逆變器調制后輸出交流電壓(310V左右),最后通過輸出變壓器Tr升到所需的穩定電壓。

圖5 IGBT整流+輸出隔離變壓器UPS(高頻機)

圖5所示的UPS,是在圖3所示UPS的輸出端增加了一臺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。

從拓撲圖上可以清楚看到,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,只相當于在一臺UPS的輸出加了一臺隔離變壓器,屬于UPS的附屬設備。

以上三種機型都采用了IGBT整流器,整流器也都工作于高頻調制狀態,那么以上三種機型都是高頻機嗎?結論顯然是否定的。

根據前面提到的工頻機和高頻機概念引入的初衷，圖3的UPS沒有逆變輸出變壓器，屬于高頻機；圖4的UPS帶有逆變輸出變壓器，屬于工頻機；而圖5的UPS則是增加了輸出隔離變壓器的高頻機。

3 結束語

由于UPS技術的發展,以整流器的調制頻率來定義高頻機和工頻機,已無法對兩類UPS進行正確的區分。

只有從UPS的拓撲結構上,才能對兩類UPS進行準確分類。從拓撲結構上可以看到,兩類UPS的最大區別在于升壓環節的處理。帶變壓器的UPS,通過變壓器在逆變器后端進行交流升壓;無變壓器的UPS,通過直流斬波在逆變器前端進行直流升壓。

因此,依照上述原則,如果一定要使用高頻或工頻的概念進行分類,那么更準確的高頻機或工頻機的定義是:通過高頻直流斬波升壓的UPS稱為高頻機;通過逆變器輸出變壓器進行交流升壓的UPS稱為工頻機。

所以,一臺高頻機即使外加了輸出變壓器也不應稱為工頻機,因為此變壓器沒有升壓作用;而一臺工頻UPS即使采用IGBT整流也不應稱為高頻機,因為其升壓環節是變壓器。