模块化架构是UPS技术发展的必然趋势

1 从工频机UPS到高频塔式机UPS的发展

工频机结构UPS技术出现在上世纪70年代, 因其整流工作频率与电网频率一致而得名。受制于当时半导体技术发展, 逆变器中IGBT器件耐压只能做到600V, 故母线电压受限, 逆变器输出电压不能做到380V;而且工频机逆变器是全桥电路, 输出为三相火线, 无法满足单相IT负载和三相四线制负载的需求, 必须进行Δ-Y转换。为解决这些问题, 厂家在工频机逆变器输出端加入了变压器用于升压和产生中线, 以使输出电压满足负载的要求, 这便是工频机内置变压器的真实目的。

通过整流侧高频升压电路将母线电压提升至700V左右, 逆变器输出电压可以做到380V,

输出变压器得以取消。而这种整流逆变电路都工作在高频 (几k Hz以上) 且没有输出变压器的UPS就被称为高频UPS。

2 高频UPS与工频UPS的对比

2.1 工频机输入功率因数低、谐波高

工频机UPS采用可控硅半控整流, 6脉冲整流UPS输入功率因数低于0.7, 谐波高达30%;12脉冲整流UPS输入功率因数最高仅为0.8, 谐波高达15%, 即使加上谐波处理措施, 功率因数最高也只能改善至0.95。相比之下, 高频机采用IGBT-PFC全控整流, 输入功率因数业界均可做到0.99, 谐波电流小于3%。严重的谐波污染不仅可能干扰其他设备无法工作、使控制与保护器件误动作外, 而且直接导致投资大幅增加:客户需要购买额外的谐波处理设备降低谐波;如果前端接柴油发电机备电, 发电机的容量要配置为UPS容量的2-3倍, 同时前级配电器件、线缆等均需要提升20%左右, 而高频机只需前端发电机容量配置为UPS容量的1.2-1.5倍即可, 配电容量和UPS容量保持一致或略高。

2.2 工频机功耗大

有三个因素导致工频UPS效率低于高频UPS。一是工频UPS整流为降压拓扑, 器件工作电流大, 无论是内部线路无论是线性损耗还是平方损耗都比高频机高;二是因输出需要升压的原因工频机比高频机多内置一个输出变压器, 致使工频机效率下降2%-3%左右;三是在实际应用中, 为了提高输入功率因数至0.95以上, 并降低其注入电网的谐波污染, 工频机还要外置一个5次或11次谐波滤波器, 效率将再次下降2%-3%。以400k W负载为例, 工频机将比高频机年多耗电41万度, 比模块化年多耗电近58万度。除此之外, 工频UPS还有高谐波、低功率因数等导致配电线缆损耗增大等问题。

2.3 工频机体积大、重量重

因为工频机采用低频器件且配置输出变压器, 致使UPS体积重量大大增加。以某品牌400k VA工频机和高频机对比, 工频机重量是高频机的2.2倍, 体积是高频机的1.5倍, 在实际运输中可能存在机房门或者走道偏小、电梯载重不够、楼层承重不足等问题, 有些情况下甚至需要用吊车装卸, 然后破墙而入来安装工频UPS, 大大增加了运输时间及成本。

2.4 工频机相比高频机在可靠性方面并无优势

工频机和高频机的主要差异体现在整流器和变压器上。工频机整流器采用SCR器件, 电压应力小, 电流应力大, 高频机主要采用IGBT器件, 电流应力小, 电压应力大。事实上, 工频机的逆变部分也是使用IGBT, 并没有因此而降低工频机的可靠性, 也没有证据证明逆变器是工频机的薄弱环节。从拓扑上讲, 工频机用的是相控整流+全桥逆变, 高频机一般采用高频整流+半桥逆变。这些拓扑均为电力电子技术上非常常用的拓扑, 并不存在谁原理上更可靠的问题, 其可靠度取决于设计的水平。

而对于变压器, 业界经常可以听到其很多所谓的优点, 比如抗冲击能力强、降低零地电压等, 然而真的是这样吗?

第一, 过载能力强, 抗负载冲击能力强。过载能力是IEC62040-3中要求标称的关键指标之一, 其强弱可通过实际数据来衡量。但实际上电感平滑电流的能力与其本身感量成正比。工频机输出变压器变比小, 变压器输出绕组的励磁电感也不会太大, 在大电流冲击下极易饱和, 很难对逆变器的冲击有明显的缓冲作用。而按照传统变压器传递能量的特点与磁性器件原理分析, 当后级负载也就是变压器输出侧出现能量冲击时, 在变压器能量传递能力达到饱和上限之前, 后端的尖峰励磁电流会直接反射到前端对UPS的IGBT产生冲击, 并且由于变压器的变比问题前端所受到的冲击电流会比输出端更大, 同时造成的损害也更为严重。而且, 工频系统由于变压器的磁滞特性, 难以实时监测后级动态响应。当变压器后端出现突变并反馈到前级时, 系统采取相关动作较无变压器的高频机来说会延迟几十甚至几百个ms, 此时流过IGBT的冲击电流已经足够损坏UPS甚至引发火灾。

第二, 在逆变器IGBT管直通故障时隔断直流危险电压。工频机变压器确实可以避免直流传递至副边, 但高频机通过快速检测与保护措施一样可以避免直流危险电压对负载造成危害。

第三, 可以降低零地电压。许多服务器等设备都有零地电压的要求, 尽管这样设计的原因已无法考证, 因为从理论上来说零地电压的大小并不会影响IT设备的正常工作。在相同的系统中, 无论是工频机还是高频机均不会影响零线阻抗, 而零线电流及三次谐波电流主要是与三相负载配置与负载特性有关, 即UPS的类型不会对于零地电压不会有明显的影响。真正决定零地电压的是配电系统的设计。如果需要改善零地电压, 最好是从配电系统入手, 着手减少线路阻抗与零线电流。减少线路阻抗最有效的方式即在负载的列头柜内置隔离变压器。需要注意的是在应用时有将工频机变压器副边直接接地的做法, 这是一种不规范的做法。

摘要：UPS作为化工装置DCS、SIS系统的主要电源, 直接关系到化工装置的安稳生产, 随着UPS关键部件模块由桥式整流到可控硅整流逆变, 再到现在的IGBT模块, 使UPS性能稳定更可靠。

关键词：UPS电源,技术发展,IGBT模块