隨著自動(dòng)化、信息化的不斷發(fā)展,各行業(yè)對(duì)電力需求越來(lái)越旺盛,對(duì)電力保護(hù)要求越來(lái)越高,UPS作為保障供電穩(wěn)定性和連續(xù)性的重要設(shè)備,已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。UPS發(fā)展到現(xiàn)在,市場(chǎng)上有著各種各樣的機(jī)型,其中工頻機(jī)、高頻機(jī)、模塊化機(jī)型是目前UPS市場(chǎng)上最常見(jiàn)的三種機(jī)型,本文從基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)介紹這3種機(jī)型,進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比,以供用戶選型參考。

在說(shuō)工頻機(jī)高頻機(jī)之前,我們先明確下高頻機(jī)和工頻機(jī)的定義。國(guó)外沒(méi)有高頻機(jī)和工頻機(jī)的說(shuō)法,他們定義有變壓器型和無(wú)變壓器型UPS,即TransformerUPS和Transformer-lessUPS。國(guó)內(nèi)以整流器的調(diào)制頻率來(lái)區(qū)分,整流器的調(diào)制頻率為工頻(50Hz)調(diào)制的,定義為工頻機(jī),整流器采用高頻(上千Hz)調(diào)制的,定義為高頻機(jī)。

? ?另外UPS從外形結(jié)構(gòu)上來(lái)區(qū)分的話,有機(jī)架式(RacktypeUPS)、模塊化(ModularUPS)和塔式(TowertypeUPS)機(jī)型。這個(gè)相對(duì)比較好理解,便于安裝在標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜里面結(jié)構(gòu)的UPS稱為機(jī)架式UPS;功率單元、旁路切換單元采用模塊化結(jié)構(gòu)組成的機(jī)型稱為模塊化UPS;整流逆變均是按規(guī)定功率設(shè)計(jì)的整體機(jī)型稱為塔式機(jī)型。通常所說(shuō)的高頻機(jī)和工頻機(jī)指塔式機(jī)型,機(jī)架式UPS只是把小功率(小于20kVA)的塔式機(jī)型的物理結(jié)構(gòu)調(diào)整以適合機(jī)架安裝,本文不對(duì)機(jī)架式UPS進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工頻機(jī)

工頻UPS即基于變壓器輸出的UPS,使用SCR晶閘管器件作為整流器元件,整流器調(diào)制工作頻率與電網(wǎng)頻率(50Hz)一致,這種機(jī)型稱為工頻機(jī)。工頻UPS由整流器、逆變器、靜態(tài)旁路、維修旁路、輸出變壓器組成。輸出變壓器是UPS的必要組成部分,起升壓作用。因?yàn)閁PS的整流、逆變的兩次變換均為降壓環(huán)節(jié)(SCR的管壓降),所以在UPS輸出之前必須有一個(gè)環(huán)節(jié)用于升壓,這個(gè)輸出變壓器就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。

常見(jiàn)工頻機(jī)有兩種機(jī)型,6脈沖工頻整流和12脈沖工頻整流機(jī)型,原理圖如圖1所示。

12脈沖整流工頻機(jī)是在6脈沖的基礎(chǔ)上再增加1個(gè)6脈沖整流器和一個(gè)移相變壓器,這樣能夠帶來(lái)更優(yōu)的整流參數(shù)指標(biāo),與6脈沖整流相比,12脈沖整流在輸入功率因數(shù)和諧波電流THDI參數(shù)指標(biāo)上有明顯優(yōu)勢(shì),其指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

目前工頻機(jī)在市場(chǎng)上逐漸萎縮,特別是在數(shù)據(jù)中心和通訊機(jī)房,已經(jīng)逐漸被高頻機(jī)、模塊化UPS所代替。工頻機(jī)也有其自身特點(diǎn),在工業(yè)領(lǐng)域,尤其是石油石化、化工、高端制造等行業(yè),工頻機(jī)仍然是主角,在整個(gè)UPS行業(yè),工頻機(jī)市場(chǎng)占有率保持在30%以上。

2 高頻機(jī)

高頻機(jī)又有3種常見(jiàn)類(lèi)型,在上世紀(jì)90年代后期,一種在SCR整流后端增加BOOST升壓斬波電路,將直流提升到UPS輸出所需的電壓,從而省掉了輸出變壓器。可以簡(jiǎn)單理解為以直流升壓取代了之前工頻UPS變壓器的交流升壓,這樣不但成本更低,把UPS體積和重量大大降低,可以說(shuō)是UPS行業(yè)重大技術(shù)革新。這種無(wú)變壓器的UPS,雖然整流器的前半部分仍然是SCR器件,但其整流后半部分包含IGBT高頻升壓斬波電路,從國(guó)內(nèi)的定義上來(lái)看,這也屬于高頻機(jī)。目前這種BOOST升壓斬波高頻機(jī)型已越來(lái)越少,只有一些中小功率UPS會(huì)繼續(xù)采用。

隨著電力電子功率器件和UPS控制技術(shù)的不斷發(fā)展,先后出現(xiàn)全I(xiàn)GBT機(jī)型和全I(xiàn)GBT+輸出隔離變壓器機(jī)型,即IGBT整流+IGBT逆變無(wú)變壓器機(jī)型和IGBT整流+IGBT逆變有變壓器機(jī)型,其整流器采用高頻調(diào)別方式,調(diào)制頻率一般都是上千Hz。

根據(jù)整流器調(diào)制頻率定義的UPS機(jī)型,三種的高頻機(jī)的原理圖如圖2所示。

高頻機(jī)的特點(diǎn)是無(wú)變壓器,體積小重量輕,功率密度大,整機(jī)效率高,輸入諧波電流小,因此其發(fā)展前景更被看好,高頻化是電力電子發(fā)展的趨勢(shì)。但從應(yīng)用情況來(lái)看,高頻機(jī)在環(huán)境適應(yīng)性和抗沖擊能力上仍然不及成熟度更高的工頻機(jī)。

隨著社會(huì)供電環(huán)境對(duì)綠色電源和節(jié)能降耗的產(chǎn)品需求不斷增加,高頻IGBT整流UPS技術(shù)有了很大發(fā)展,IGBT器件的可靠性和穩(wěn)定性也有了很大的發(fā)展,到現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越多的用戶選擇高頻機(jī),特別是在數(shù)據(jù)中心、金融、通訊領(lǐng)域高頻機(jī)已是用戶機(jī)型。

3 模塊化機(jī)型

模塊化UPS是把高頻UPS的功率部分單獨(dú)做成一個(gè)個(gè)功率模塊,然后多個(gè)模塊并聯(lián)輸出,另外旁路切換模塊和控制單元也做成模塊單元,這樣整臺(tái)UPS就是一個(gè)個(gè)模塊疊加而成。模塊化UPS的特點(diǎn)是,功率部分很容易實(shí)現(xiàn)冗余功能,只要UPS帶載功率富余量大于單個(gè)模塊功率,UPS功率部分即可實(shí)現(xiàn)“N+1”冗余,從而提高UPS供電的可靠性。模塊化UPS還有個(gè)好處就是可用性高,當(dāng)某個(gè)模塊故障時(shí),直接更換模塊,維修時(shí)間非常短,維修非常方便。另外,模塊化UPS還經(jīng)常提到“邊成長(zhǎng)邊投資”的模式,即用戶可以在初始建設(shè)時(shí)購(gòu)買(mǎi)較少的功率模塊,在業(yè)務(wù)增長(zhǎng)、用戶設(shè)備增加后再購(gòu)買(mǎi)功率模塊進(jìn)行UPS擴(kuò)容。模塊化UPS的原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

在高頻機(jī)出現(xiàn)不久后,模塊化UPS就應(yīng)運(yùn)而生,模塊化UPS從理論上說(shuō),也是高頻機(jī)的一種,只是其結(jié)構(gòu)與普通高頻塔式機(jī)型差別較大。模塊化UPS對(duì)并聯(lián)控制技術(shù)要求比較高,早期的模塊化UPS故障率偏高,每次維修更換模塊成本不低,因此選擇模塊化UPS的用戶很少,不是市場(chǎng)的主流。但隨著并聯(lián)控制技術(shù)逐漸成熟,模塊化UPS可靠性逐漸提高,而其高效率和高可用性的特點(diǎn)逐漸被市場(chǎng)認(rèn)可,尤其是華為攜模塊化UPS重現(xiàn)UPS市場(chǎng),迅速帶動(dòng)模塊化UPS高速發(fā)展,其市場(chǎng)占有率直線上升,特別是在IDC信息機(jī)房、金融等領(lǐng)域,已和高頻塔式機(jī)不分上下。

工頻機(jī)、高頻機(jī)、模塊化機(jī)型是目前UPS市場(chǎng)上最常見(jiàn)的三種機(jī)型,其各有各的特點(diǎn),滿足不同類(lèi)型的客戶。不同類(lèi)型的用戶,有其自身的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)及其負(fù)載特性,作為廠家我們站在客戶應(yīng)用的角度來(lái)選擇適合用戶的機(jī)型,而不是單純從技術(shù)層面看哪種機(jī)型技術(shù)。UPS解決的是用電可靠性,不一定最合適。作為使用者,應(yīng)該從自身的角度,來(lái)選擇最優(yōu)的方案,從而確定適合自己的UPS機(jī)型。