工頻ups和高頻ups原理

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1、摘要：本文通過大容量工頻UPS和高頻UPS進(jìn)行原理分析、拓?fù)鋵Ρ取崪y數(shù)據(jù)分析和性能對比，全面總結(jié)了大功率工頻UPS和高頻UPS的優(yōu)缺點和選配原則。???一、工頻機(jī)和高頻機(jī)的定義和原理分析???UPS通常分為工頻機(jī)和高頻機(jī)兩種。工頻機(jī)由可控硅SCR整流器，IGBT逆變器，旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均為工頻50Hz，顧名思義叫工頻UPS。???典型的工頻UPS拓?fù)淙缦拢???圖1：典型工頻UPS拓?fù)???主路三相交流輸入經(jīng)過換相電感接到三個SCR橋臂組成的整流器之后變換成直流電壓。通過控制整流橋SCR的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)輸出直

2、流電壓值。由于SCR屬于半控器件，控制系統(tǒng)只能夠控制開通點，一旦SCR導(dǎo)通之后，即使門極驅(qū)動撤消，也無法關(guān)斷，只有等到其電流為零之后才能自然關(guān)斷，所以其開通和關(guān)斷均是基于一個工頻周期，不存在高頻的開通和關(guān)斷控制。???由于SCR整流器屬于降壓整流，所以直流母線電壓經(jīng)逆變輸出的交流電壓比輸入電壓低，要使輸出相電壓能夠得到恒定的220V電壓，就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。同時，由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)輸出零線可以通過變壓器與逆變器隔離，顯著減少了逆變高頻諧波給輸出零線帶來的干擾。???同時，工頻機(jī)的降壓整流方式使電池直掛母線成為可能。工頻機(jī)典型

3、母線電壓通常為300V~500V之間，可直接掛接三十幾節(jié)電池，不需要另外增加電池充電器。???按整流器晶闡管數(shù)量的不同，工頻機(jī)通常分為6脈沖和12脈沖兩種類型。6脈沖指以6個可控硅（晶閘管）組成的全橋整流，由于有6個開關(guān)脈沖對6個可控硅分別控制，所以叫6脈沖整流。6脈沖整流拓?fù)淙缦拢???圖典型6脈沖拓?fù)???12脈沖是指在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，在輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線由12個可控硅整流完成，因此又稱為12脈沖整流。???下圖所示兩個三相整流電路就是通過變壓器的不同聯(lián)結(jié)構(gòu)成12相整流電路。???圖典型12脈沖整流

4、器示意圖???6脈沖和12脈沖的詳細(xì)技術(shù)分析可參見《大功率UPS6脈沖與12脈沖可控硅整流器原理與區(qū)別》。???高頻機(jī)通常由IGBT高頻整流器，電池變換器，逆變器和旁路組成，IGBT可以通過控制加在其門極的驅(qū)動來控制IGBT的開通與關(guān)斷，IGBT整流器開關(guān)頻率通常在幾K到幾十KHz,甚至高達(dá)上百KHz，相對于50Hz工頻,稱之為高頻UPS。典型的高頻機(jī)拓?fù)淙缦拢???圖2：高頻UPS拓?fù)鋱D???高頻UPS整流屬于升壓整流模式，其輸出直流母線的電壓一定比輸入線電壓的峰峰值高，一般典型值為800V左右，如果電池直接掛接母線，所需要的標(biāo)配電池節(jié)數(shù)達(dá)到67

5、節(jié)，這樣給實際應(yīng)用帶來極大的限制。因此一般高頻UPS會單獨配置一個電池變換器，市電正常的時候電池變換器把母線800V的母線電壓降壓到電池組電壓；市電故障或超限時，電池變換器把電池組電壓升壓到800V的母線電壓。從而實現(xiàn)電池的充放電管理。由于高頻機(jī)母線電壓為800V左右，所以逆變器輸出相電壓可以直接達(dá)到220V，逆變器之后就不再需要升壓變壓器。???二、工頻機(jī)和高頻機(jī)的性能對比???隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高頻功率器件不斷問世。中小功率段的UPS產(chǎn)品正逐步高頻化，高頻UPS有功率密度大、體積小、重量輕的特點。但在高頻UPS功率段向中大功率過渡推進(jìn)的過

6、程中。高頻拓?fù)銾PS在使用過程中暴露出一些固有缺點，并影響到UPS的安全使用和運(yùn)行。???1）零偏故障。???某型號大容量三相高頻UPS拓?fù)淙缦拢???圖3:某型號四橋臂高頻機(jī)拓?fù)???從圖3可知，UPS主路輸入是三相四線（相線+零線），整流器為四橋臂變換器。A、B、C三相和零線均通過IGBT整流。此種變換器存在先天缺陷：零線在主路工作時不能斷開。當(dāng)A、B、C三相閉合，零線斷開時。如果UPS輸出端接不平衡負(fù)載，當(dāng)零點參考點突然消失，將造成嚴(yán)重的UPS輸出零偏故障，進(jìn)而導(dǎo)致UPS后端負(fù)載設(shè)備的損壞，輸出閃斷等重大故障。如果A、B、C、零線同時中斷。這

7、種情況往往會發(fā)生在市電和發(fā)電機(jī)切換過程，此種拓?fù)涞母哳l機(jī)因零線缺失而必須轉(zhuǎn)旁路工作，在特定工況下（電壓過零點，非同步切換時）可能造成負(fù)載閃斷的重大故障。而工頻機(jī)因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開時，UPS可以保持正常供電。???2）零地電壓抬升和電池架帶電問題。???從圖2和圖3可以看到，大功率三相高頻機(jī)零線會引入整流器并做為正負(fù)母線的中性點，此種結(jié)構(gòu)不可避免的造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，抬升零地電壓，造成負(fù)載端零地電壓抬高，很難滿足IBM,HP等服務(wù)器廠家對零地電壓小于1V的場地需求。???某型號高頻UPS的電池變換器采用高頻Bu

8、ck/Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變換器缺少必要的濾波裝置。因此充電電壓和電流耦合大量高頻分量，在現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)如下圖：???可以明