UPS工頻機與高頻機的比較

摘要：世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高頻機為主，這與高頻機負載動態響應速度快，能量密度高，體積小，噪聲小，價格低(特別是小機)有很大關系，特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正，真正代表將來綠色電源的發展趨勢。

(1)工頻機：以傳統的模擬電路原理來設計，機器內部電力器件(如變壓器、電感、電容器等)都較大，一般在帶載較大運行時存在較小噪聲，但該機型在惡劣的電網環境條件中耐抗性能較強，可靠性及穩定性均比高頻機強。

(2)高頻機：利用高頻開關技術，高頻機逆變頻率一般在20kHz以上。但高頻機在惡劣的電網及環境條件下耐受能力差，較適用于電網比較穩定及灰塵較少、溫/濕度合適的環境。UPS發展的方向是高頻化、小型化、智能化和綠色化。因為小型化可以節省投資、提高效率、節約空間等。小型化的前提是高頻化，只有高頻化才可實現小型化。小型化的第一個目標就是取消輸入/輸出隔離變壓器。以前由于技術、器件和材料的原因，給UPS加入了輸入/輸出隔離變壓器，使得產品笨重、性能差、耗能大而且價格貴。后來由于新器件的問世，1980年由美國IPM公司首先推出的新方案成功地取消了輸入隔離變壓器，近幾年由于技術的進一步發展和成熟，推出了半橋逆變器變換方案，又成功地取消了輸出隔離變壓器，使UPS的性能又有了很大程度的提高，這就是人們所說的高頻機，它進一步使UPS縮小了體積、改善了性能、減輕了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以國際上的知名公司大都放棄了帶有輸出隔離變壓器UPS的生產。

2、高頻機與工頻機比較

高頻機與工頻機比較而言：尺寸小、重量輕、運行效率高(運行成本低)、噪聲低，適合于辦公場所，性價比高(同等功率下價格低)，對空間、環境影響小，相對而言，高頻UPS對復印機、激光打印機和電動機引起的沖擊(SPIKE)和暫態響應(TRANSIENT)易受影響，由于工頻機的變壓器把市電與負載隔離，在市電惡劣的環境下，工頻機比高頻機能提供更安全和可靠的保護，在某些場合如醫療等，要求UPS有隔離裝置，因此，對工業、醫療、交通等應用，工頻機是較好的選擇。兩者的選擇要根據用戶的不同、安裝環境、負載情況等條件權衡考慮。

高頻機不帶隔離變壓器，其輸出中性線存在高頻電流，主要來自市電電網的諧波*、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波*等，其*電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出地電壓低，而且不存在高頻分量，對于計算機網絡的通信安全來講，更加重要。

高頻機輸出沒有變壓器隔離，如果逆變功率器件發生短路，則直流母線(DCBUS)上的高直流電壓直接加到負載上，這是安全隱患，而工頻機則不存在此問題。高頻機與工頻機性能比較的指標見下表：

表1高頻機與工頻機性能比較的指標

從以上的比對中可以清晰地看出工頻機在很多方面優于高頻機。對于可靠性要求較高的一些重要、關鍵部位的電源保護方案還應以工頻機為首選。工頻機的特點是簡單，存在的問題是：

1)輸入輸出變壓器尺寸大。

2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大。

3)變壓器和電感產生音頻噪聲。

4)對負載和市電變化的動態響應性能較差。

5)效率低。

6)輸入無功率因數校正，對電網污染較嚴重。

7)成本高，特別對于小容量機型，無法與高頻機相比。

世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高頻機為主，這與高頻機負載動態響應速度快，能量密度高，體積小，噪聲小，價格低(特別是小機)有很大關系，特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正，真正代表將來綠色電源的發展趨勢。

3、電路結構

工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言，工頻機是可控整流，傳統技術最好可做到12相整流;而高頻機的整流是二極管不控整流十IGBT的高頻直流升壓環節。對逆變器而言都是IGBT的SPWM高頻逆變工作方式(除早期的可控硅逆變工作模式UPS，目前已經淘汰)。另外，工頻機的輸出變壓器必不可少，由于其整流逆變等環節均為降壓環節，因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節，其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器)，對于需要加裝隔離變壓器的現場，高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件，其作用也由原來的必要配置轉變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化，主要是由于元器件的發展，IGBT作為UPS的主要功率元件技術更加成熟，無論從容量、結構，還是可靠性上都大大地提高了，加之UPS數字化程度不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機轉向高頻機(正如當年晶閘管逆變器被大功率晶體管GTR取代，之后又被IGBT逆變器取一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小，質量的減小，而更重要的是電氣性能的提高。

早期大中型UPS主回路結構采用晶閘管整流將輸人的交流電整為直流，蓄電池直接配置在直流母線上，當輸入市電正常時，靠整流晶閘管的調節對蓄電池充電，同時為GTR或ICBT結構的橋式逆變器供電，逆變器將直流逆變為交流，最后經過輸出變壓器的升壓及濾沒提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出，從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中，每個環節都是降壓環節，在此種結構的UPS中，必須在輸出側加入升壓變壓器，將逆變輸出的較低恒定電壓升至合理的輸出范圍，最終提供了恒定的220V/380V輸出。

目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節，將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后，采用IGBT元件組成的DC/DC電路升壓到一個較高的恒定直流電壓，并將其作為直流母線，為蓄電池充電電路及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高經過IGBT高頻逆變調整后，可直接得到恒定的逆變輸出電壓，完全可以省掉輸出升壓變壓器。

在上述的兩種UPS結構中，后者在所有功率環節均采用了IGBT技術，因此此種結構的UPS又為全IGBTUPS。由于數字技術的引入，大大提高了IGBT元件的開關頻率，與前者相比，在很多方面具有顯著的優勢。