工频UPS与高频UPS概念的辨析

一直以来,业界对工频UPS和高频UPS的概念有各种定义,给用户造成了不少混淆。主要的定义方法有以下两种:一是逆变器调制频率论。即逆变器调制频率高于20kHz的UPS称为高频UPS,低于这个频率的UPS称为工频UPS。这种定义方式经不起推敲的地方在于,如果以逆变器调制频率来定义,那么不仅应该有高频UPS,还应该有中频UPS。而“工频UPS”的说法就师出无名了,因为,目前UPS的逆变器调制频率大多为4～8kHz,根本没有以工频(50Hz)来调制的。二是整流器调制频率论。这也是最为普遍被接受的一种定义方法。即如果整流器是工频整流(如晶闸管整流),则称为工频机,否则称为高频机。这种定义方法,在一段时间内确实为业内外普遍接受。但随着UPS技术的发展,这种定义方法也显现出了其不严谨的地方,无法对现有的UPS机型进行准确分类。

那么什么才是“高频机”和“工频机”的准确定义呢?

1 历史的沿革

要对“高频机”和“工频机”进行准确定义,首先必须了解定义本身的历史沿革。

1.1 传统工频经典UPS

静态UPS出现于上世纪60年代,其经典的拓扑原理如图1所示。

图1  传统工频UPS拓扑图

可以看到传统的工频UPS由整流器、逆变器、静态旁路、维修旁路、逆变输出变压器组成。这里逆变输出变压器是UPS的必要组成部分,其作用是升压。这是因为UPS有一个重要的功能就是稳压,而整流、逆变两次变换均为降压环节(功率晶体管的管压降及各种损耗引起),另外还需要考虑市电电压低时,也要保证稳定不变的输出电压,所以UPS内部必须有一个环节用于升压,而逆变输出变压器就是用来实现这一功能的。

这里有一个很重要的概念:由于UPS输出在任何时候都需要输出稳定的电压,因此UPS内部必须有一个升压的环节。

1.2   高频机概念的出现

上世纪90年代之前,没有高频UPS和工频UPS的称谓问题。高频机的概念出现在90年代后期，这个时候UPS技术出现了一次革命，即出现了不带逆变输出变压器的UPS。其典型的拓扑结构如图2所示。

图2  高频UPS拓扑图

通过与传统工频UPS的拓扑原理图比较,可以看出这种UPS通过在整流部分增加BOOST斩波器,将整流后的直流提升到UPS输出所需的电压,从而省掉了逆变器后面的输出变压器,即以直流升压取代了经典的UPS变压器交流升压。

这种UPS的优点是省掉了逆变器输出变压器,极大地节省了成本,减小UPS的占地面积和重量。另外,由于在斩波升压环节增加了功率因数校正功能,使这种UPS具有非常好的输入功率因数。

国外将这种UPS称为Transformer-less UPS,即无变压器的UPS,而将传统工频UPS称为Transformer UPS,即带变压器的UPS。而国内则将其称为高频机和工频机,即以整流器的调制频率来区分。无变压器的UPS,其整流部分包含高频斩波,故称其为高频机;带变压器的UPS为相控整流,故称为工频机。

由此可以看出，工频机和高频机概念引入的初衷，是用来区分UPS是否带有逆变器输出变压器的。

2 歧义的产生

在高频机概念出现的初期,其定义基本上还能正确区分两类UPS。但随着UPS技术的不断发展,以及UPS应用环境要求的变化,当初的定义逐渐显现出不严谨性,造成了很多的困惑和混乱。
近年来,随着社会供电环境对绿色电源和节能降耗的产品需求不断增加,UPS技术有了很大发展,尤其是以高输入功率因数和低谐波输入为目标的整流技术。其中IGBT整流器的普遍采用是这一发展趋势的热点。

IGBT整流器与SCR(晶闸管)整流器性能的不同之处主要表现在两点。

(1)输入参数的不同。SCR(晶闸管)整流器为相控调制,只能工作于工频,输入功率因数较低,输入电流畸变较大。而IGBT整流器可通过控制其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,开关频率通常在几千赫到几十千赫。通过调制,IGBT整流器可以保持输入电流与输入电压相位一致,且输入电流可以接近于正弦波,因而具有非常高的输入功率因数和非常低的输入电流谐波畸变。

(2)IGBT整流器具有升压功能,即IGBT整流器的输出直流可以根据需要调节其高低,甚至可以直接升到800V,从而满足UPS输出交流电压的要求,而SCR(晶闸管)整流没有此功能。
几种IGBT整流UPS的拓扑结构如图3、图4、图5所示。

图3  IGBT整流,无输出变压器UPS(高频机)

图3所示的UPS,市电输入经过IGBT调制整流,并将直流电压升压至800V左右,直接通过逆变器调制滤波后输出所需的稳定电压。

图4  IGBT整流,带输出变压器UPS(工频机)

图4所示的UPS,市电输入经过IGBT调制整流,获得直流电压(400～500V),经逆变器调制后输出交流电压(310V左右),最后通过输出变压器Tr升到所需的稳定电压。

图5  IGBT整流+输出隔离变压器UPS(高频机)

图5所示的UPS,是在图3所示UPS的输出端增加了一台1:1隔离变压器Tr,其IGBT整流器同图3所示的UPS一样具有升压作用。

从拓扑图上可以清楚看到,虽然图4和图5的UPS都有输出变压器,但不同的是,图4的变压器是逆变器输出变压器,起升压作用,是UPS的一部分;而图5中UPS的变压器,没有升压作用,只相当于在一台UPS的输出加了一台隔离变压器,属于UPS的附属设备。

以上三种机型都采用了IGBT整流器,整流器也都工作于高频调制状态,那么以上三种机型都是高频机吗?结论显然是否定的。

根据前面提到的工频机和高频机概念引入的初衷，图3的UPS没有逆变输出变压器，属于高频机；图4的UPS带有逆变输出变压器，属于工频机；而图5的UPS则是增加了输出隔离变压器的高频机。

3 结束语

由于UPS技术的发展,以整流器的调制频率来定义高频机和工频机,已无法对两类UPS进行正确的区分。

只有从UPS的拓扑结构上,才能对两类UPS进行准确分类。从拓扑结构上可以看到,两类UPS的最大区别在于升压环节的处理。带变压器的UPS,通过变压器在逆变器后端进行交流升压;无变压器的UPS,通过直流斩波在逆变器前端进行直流升压。

因此,依照上述原则,如果一定要使用高频或工频的概念进行分类,那么更准确的高频机或工频机的定义是:通过高频直流斩波升压的UPS称为高频机;通过逆变器输出变压器进行交流升压的UPS称为工频机。

所以,一台高频机即使外加了输出变压器也不应称为工频机,因为此变压器没有升压作用;而一台工频UPS即使采用IGBT整流也不应称为高频机,因为其升压环节是变压器。