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工频ups与高频ups的区别性能特点应用区别对比

发布时间:2015-11-03 09:59 浏览次数:
前面我们分别讲了工频UPS机高频UPS在组成原理及应用,那么二者究竟有什么区别呢?或者说工频机与高频机在性能特点应用上有什么区别呢?
 
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电源产品正逐步高频化,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。高频拓扑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。
 

1)零偏故障。

 
  某型号大容量三相高频UPS拓扑如下:

 大容量三相高频UPS电源拓扑结构
 
从图可知,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。当A、B、C三相闭合,零线断开时。如果UPS输出端接不平衡负载,当零点参考点突然消失,将造成严重的UPS输出零偏故障,进而导致UPS后端负载设备的损坏,输出闪断等重大故障。如果A、B、C、零线同时中断。这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程,此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作,在特定工况下(电压过零点,非同步切换时)可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。
    

  2)零地电压抬升和电池架带电问题。     


从图可以看到,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等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。      某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构,变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量,在现场实测数据如下图:
现场测试图
 
可以明显看到频率12.5KHz的高频分量,实测电池正极与大地浮置电压有325V,断开电池架接地,电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地,电池架与大地漏电流高达110mA。按照行业标准(GB13870.1-93《电流通过人体的效应》),50mA的电流就可以致人死亡。该型号UPS在电池架未与大地短接时,人体触摸到电池架有明显被电击的感觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路,造成人体触电。同时,此高频谐波严重干扰了外置的UPS电池单体电压监控系统,使电池电压监控测试仪无法正常工作。
 

3)可靠性降低。     

自1947年底首个晶体管问世,随后不到十年,可控硅整流器(SCR,现称晶闸管)在晶体管渐趋成熟的基础上问世,至今晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新,耐受高电压,大电流晶阐管技术已非常成熟,其抗电流冲击能力非常强。晶阐管是半控器件,不会出现直通,误触发等故障。相比而言,80年代初问世的IGBT(绝缘栅双极晶体管)有许多优点,其开关频率可在几K至几百KHz之间,是目前高频UPS主要功率器件。但是,IGBT工作时有严格的电压,电流工作区域,抗冲击能力有限。在可靠性方面,IGBT一直比晶阐管差。根据大量的数据统计,采用晶阐管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率,前者大约为后者的1/4。  
   
工频机通常采用SCR整流器,而高频机多采用IGBT整流器。因此,工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑。并通过了长时间和复杂电网的实际验证。

经过总结工频UPS电源与高频UPS电源性能特点应用区别统计表如下:

 
  高频机 工频机
1 采用IGBT整流技术,根据统计数据, IGBT整流故障率远高于可控制硅整流 采用可控硅整流技术,系统可靠性高
2 输出有高次谐波,高频谐波耦合在零 线上,可能抬升零地电压。很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小 于1V的场地需求 输出配置隔离变压器,零地电压增量 为零,更可靠保证负载运行
3 逆变器直接挂接负载,抗负载冲击能 力弱,降低逆变器的可靠性 输出隔离变压器自身短路阻抗的作用及高频衰减隔离特性,使得工频机具有很好的抗负载冲击能力,降低负载 突变和短路对UPS的影响
4 逆变器直接带载,带不平衡负载能力 弱 通过变压器的负载重新分配,提高了 UPS带不平衡负载的能力。
5 负载直挂,带非线性负载的能力弱 输出变压器具有3N次谐波电流的隔离能力,带非线性负载的能力强;
6 无输出隔离变压器,在UPS故障的情 况下存在输出直流电压损坏负载的 风险 即使在UPS故障的情况下也不存在输出直流电压的风险,负载更加安全可 靠;
7 主路旁路N线必须相同,因此无法实 现主旁路不同源配置 可以实现主旁路不同输入源的配置方案,满足高可靠性场地的配电要求;
8 某些厂家的高频机输入零线中断时, UPS无法正常工作,当市电和柴油发电机切换时,因零线短时“缺失”可能出现“零偏”故障,造成输出闪断, 负载掉电的重大故障 隔离变压器重新生成中心点,UPS输 入零线中断时可正常工作。
9 采用专用充电器,充电能力弱。 电池直接挂接母线,在负载不足满载

本节主要分析了工频UPS电源与高频UPS电源性能特点应用上的具体区别
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