谈数字时代UPS的工频机与高频机--打印文章-电源开发网

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谈数字时代UPS的工频机与高频机

http://www.dykf.com 2009/2/8 电源开发网

Abstract：The paper introduced the UPS main circuits of the industrial frequency and high frequency.Pointed out industrial frequency transformer functions are converting voltage and producing nature point and it cannot avoid interferes or is not buffer.Introducing the benefits of electronic transformer and pointing out the direction of high frequency UPS replace industrial frequency one .

Keyword：industrial frequency high frequency interfere buffer insulating transformer

一、概述

　　UPS是计算机机房的主要组成部分之一，是整个数据系统的基础设施的基础。多年来UPS和空调作为数据系统的左膀右臂起到了举足轻重的作用。比如UPS宕机可视整个系统瘫痪，而空调又何尝不是如此，某银行系统就是因为空调机故障，因机内温度上升而宕机达四小时之久，造成了巨大损失。在现代数据中心的基础设施中又引进了机柜、布线和一些软性指标，不论哪一项出了纰漏都会导致系统故障。当然，电源是最基本的，没有了电就一切“免谈”。既然如此，作为系统运行基本保障的UPS就成了重中之重，而且这种电源设备的供电寿命比其他设备要长得多。这就提出了一个问题，选择UPS要有前瞻的眼光，一定要注意它的先进性，否则设备刚装上不到两年就已从市场上销声匿迹了，由于存在着买不到备件的风险，这就为维修埋下了隐患，使UPS的高可用性失去了保障。

　　UPS发展的方向是高频化、小型化、智能化和绿色化。因为小型化可以节省投资、提高效率、节约空间等。小型化的前提是高频化，只有高频化才可实现小型化。小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。以前由于技术、器件和材料的原因，给UPS加入了输入/输出隔离变压器，使得产品笨重、性能差、耗能大和价格贵。后来由于新器件的问世，在1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器，近几年又由于技术的进一步发展和成熟，推出了半桥逆变器变换方案，又成功地取消了输出隔离变压器，使UPS的性能又有了很大程度的提高，这就是人们所说的高频机，它进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。所以国际上的知名公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产，一律改为高频机。目前市场上所谓的“工频机”UPS已到了考虑退路的时候了。

　　在国外已没有了所谓“工频机”这个概念，我国所以还保留了生产工频机的一片沃土，这完全依赖于某些用户对新事物的不敏感和对老产品的眷恋。尽管高频机的地盘在不断扩大和工频机的地盘逐渐缩小，但在一定程度上也给工频机生产厂家带来了一定的“商机”，原因是竞争对手少了。只要他们的销售人员能够说服消息闭塞的用户，在投标中就几乎碰不到几个对手的竞争，成功的机会就很大。

二、UPS输出隔离变压器的作用

　　能够取消输出隔离变器的理由何在？以往工频机的推销者一直在宣传这个变压器具有抗干扰和缓冲负载突变的作用，好像这个变压器是为了这些目的专门为用户加上的，是不是这样呢？事实是这个变压器是工频机不可分离的主要部分，而且作用也很简单，下面进行讨论。

1.工频变压的作用。

　　UPS输出的220V正弦波交流电压的峰峰值电压是620V，而一般单相UPS的输入整流电压才310V（这还不包括一般为196V电池的情况），为了使逆变器不失真地输出220V正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是650V∼870V。由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值，所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用，如图1所示。图中所示为电池电压为192V的情况，在中小功率中，为了节约成本，一般都不将电池电压做得太高，所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器，现在已不作为标配。

图1　输出隔离变压器的升压作用电原理图

2.对零线的隔离作用

　　工频机UPS采用的是全桥变换器，如图1所示。这种变换器输出的不是一根火线和一根零线，而是两根火线。但一般的UPS负载要求必须有零线，如果没有输出隔离变压器，将一根火线硬性接零线，如图2（a）　所示，就会导致UPS的工作不正常。图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径，负半波也是如此。从图中可以看出，由于零线的接入，使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管，而直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中用虚线标出的一只整流器和一只逆变功率管就未起作用。按照正常的工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的各2只管子，如图2（c）所示，图（d）是它的等效电路。由电路中可以看出，当在输出端增加了隔离变压器后，就可以在变压器的次级（负载输入端）连接市电的零线，于是就构成了一个可靠的供电系统。

　　所以这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计，和其他没有必然关系

（a）　无输出变压器正半波时的电流流动方向和途径

（b）无输出变压器正半波时的等效电路

（c）有输出变压器正半波时的电流流动方向和途径

（d）有输出隔离变压器时的正半波等效电路
图2　工频机整流/逆变电流途径原理图

二、隔离变压器不能隔离干扰和缓冲负载

　　目前所有UPS的隔离变压器都是为了变压和隔离零线的目的而接入的，并没有隔离干扰和缓冲负载突变的的功能。图3给出了这种变压器的结构电原理图。从图中可以看出，变压器的初级和次级之间都有绝缘层，他们就构成了一个一定容量的电容器C，电容器的容抗和频率是成反比关系的，即：

图3　 UPS变压器电原理图

（1）
　　式中：　XC是变压器初次级间等效分布电容的容抗，单位是欧姆（W）。
　　f是干扰信号的频率。单位是赫兹（Hz）。
　　C是变压器初次级间等效分布电容量，单位为法拉（F）。

　　从这个公式可以看出，频率越高，容抗就越小，也就是说干扰信号的频率越高，这个电容通路就越容易被穿过。由于一般干扰信号的频率是很高的，可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。若是较低频率的干扰到来，它就会按照变压器的变比按比例变换过去干扰负载。正因为变压器并不抗干扰，所以几乎所有UPS都在输入和输出端加有输入/输出滤波器，如图4所示。

图4　一般工频机UPS电源结构方框图

　　同样，该变压器也没有缓冲负载电流突然变化的能力。根据能量守恒定律，变压器初次级之间的能量传递是等量的，即：
　　　　　　　　　　　　　　　U1I1=U2I2　　　　　　（2）
　　比如当负载端短路时，次级电流I2就会趋向于无穷大，为了平衡负载端的变化，变压器初级电流I1也会趋向于无穷大。也许有人会说：变压器的漏感可阻止电流的突然变化，这一来是变压器的漏感很小，不足以阻止这种变化，另一方面，高频机的输出端照样串有小容量的电感，在这一点上二者是等效的，都起不了关键作用。为了弥补这个不足，所以在所有UPS的输出端都接有电流传感器，一旦出现过载或短路现象，就用停止逆变器工作的方法来保护。

三、高频机UPS真的没有变压器吗？

　　一般认为高频机没有变压器，这是一种误解。实际上在高频机UPS中也有变压器，比如UPS输出交流电压220V时的电压幅度峰峰值约620V，而UPS中的电池电压一般小功率是192V或者更小，如果没有变压器又如何将192V升至620V呢！在人们的习惯中大都认为有线圈和铁心的才叫变压器，否则就不是变压器，这就有些片面了。比如在小功率高频UPS中的整流器和逆变器之间有一个BOOST升压电路，这就只电子变压器，凡是能将一个电压值变换为另一个电压值的装置都是变压器，只是人们还不习惯而已。不能以外形如何来定义，又比如电磁炉和微波炉哪一个外形也不像习惯上做饭的炉子；宇宙飞船既没有能飞的翅膀也不像船…但对这些东西，人们已习惯了，也就叫开了。高频机UPS由于有了这个电子变压器又带来了很多好处：不但可以变压，而且还有输入功率因数校正功能，它可以将输入功率因数校正到接近于1，这是工频变压器所无法实现的；它的抗干扰功能也是工频变压器无法比拟的，这是因为普通电磁式变压器将输入的电压波形没有失真地传递到输出端，所以也将干扰一并送出。高频机的电子变压器则不然，如图5(a)所示的电路是将输入电压波形进行切割后储能送出：当整流正弦半波电压波形到来时，开关S闭合，电流经电感L和开关S和输入形成回路，如图中实线所示，此时能量储存在电感L中，开关S按照一定的频率开断与闭合，当开关断开后，储存在L中的能量沿虚线方向给二极管D后的电容和负载供电，而后再重复下一个同样的周期。其波形的关系如图(b)和(c)所示。从图中可以看出，电子变压器区能时，并不将其送出，而是以静态的形式储存，不取能时再将储存在

电感中的能量送出。换言之，即使电网中有干扰，也会将动态干扰在储能过程中平复，就像波浪翻滚的河水流入水库后就会“偃旗息鼓”，平静下来，而由水库向外提供的水流则是平缓的。谁也不会相信电池向外提供的电流中会有干扰成分。

　　从上面的讨论已明显看出高频机的优越性。实际上，现在的大部分工频机也已经高频化，不用高频化的工频机，其单相机的输入功率因数不会高于0.7；三相机的输入功率因数在无PFC的情况下也不会高于0.8；几乎所有工频机的逆变器都采用了高频PWM技术。所差的就是舍不得舍弃输出变压器。。实际上，几乎所有的国内UPS生产厂家，在生产工频机的同时还在生产着同容量的高频机，以备万一有一天用户都改用了高频机，好及时推上去，不至于青黄不接。当然也有的供应商即使他的UPS已全部高频化，但为了迎合用户对工频机的偏爱胃口，也不得不声称是工频机！图6给出了一般中小功率UPS电路原理方框图。

图6　高频机UPS主电路结构原理图
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作者：王其英来源：《电源世界》点击数：

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