大功率UPS工频机和高频机

1   工频机和高频机的定义及原理分析

UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由晶闸管(SCR)整流器、IGBT逆变器、旁路和工频隔离变压器组成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz,顾名思义叫工频UPS。
典型的工频UPS拓扑如图1所示。

主路三相交流输入经过换相电感接到由三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件,控制系统只能控制开通点,一旦SCR导通之后,即使门极驱动撤消,也无法关断,只有等到其电流为零之后才能自然关断,所以其开通和关断均是基于一个工频周期,不存在高频开通和关断控制。

由于SCR整流器属于降压整流,所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低,要使输出相电压能够达到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时,由于增加了隔离变压器,系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离,明显减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。

图1  典型工频UPS拓扑

同时,工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常在300～500V之间,可直接挂接三十几节电池,不需要另加电池充电器。

按整流器晶闸管数量的不同,工频机通常分为6脉波和12脉波两种类型。6脉波指以6个晶闸管组成的全桥整流,由于有6个开关脉冲对6个晶闸管分别控制,所以叫6脉波整流。6脉波整流拓扑如图2所示。

图2  典型6脉波拓扑

12脉波是指在原有6脉波整流的基础上,在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉波整流器,使直流母线由12个晶闸管整流完成,因此又称为12脉波整流。

图3所示的两个三相整流电路就是通过变压器的不同连接构成12相整流电路。

图3  典型12脉波整流器示意图

高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成,IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几到几十千赫之间,有时甚至高达上百千赫,相对于50Hz工频, 称之为高频UPS。典型的高频机拓扑如图4所示。

图4  高频UPS拓扑图

高频UPS整流属于升压整流模式,其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰值高,一般典型值为800V左右,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数达到67节,这样就给实际应用带来很大的限制。因此一般高频UPS会单独配置一个电池变换器,在市电正常的时候,电池变换器把800V的母线电压降压到电池组电压值;在市电故障或超限时,电池变换器则会把电池组电压升压到800V的母线电压,从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不需要升压变压器了,但是没有隔离效果。

2   工频机和高频机的性能对比

随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世,中小功率段的UPS产品也逐步高频化。高频UPS具有功率密度大、体积小、重量轻的特点,但在高频UPS功率段向中大功率过渡的过程中,高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点,并影响到UPS的安全使用和运行。

(1)零偏故障

某型号大容量三相高频UPS拓扑如图5所示。

图5  某型号四桥臂高频机拓扑

从图中可知,UPS主路输入是三相四线(相线+零线),整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷:零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合,零线断开时,如果UPS输出端接不平衡负载,零点参考点突然消失,会造成严重的UPS输出零偏故障,进而导致UPS后端负载设备的损坏、输出闪断等重大故障。如果三个相线和零线同时中断,这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程,此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作,在特定工况下(电压过零点,非同步切换时)可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。

(2)零地电压抬升和电池架带电问题

从图4和图5可以看到,大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点,此种结构不可避免地造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上,抬升零地电压,造成负载端零地电压抬高,很难满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。

某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构,变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量,在现场实测数据如图6所示。

 图6  用仪表测得的充电电压和电流高频分量

可以明显看到频率为12.5kHz的高频分量,实测电池正极与大地浮置电压有325V,断开电池架接地,电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地,电池架与大地漏电流高达0.11A。按照行业标准(GB13870.1-93《电流通过人体的效应》),50mA的电流就可以致人死亡。该型号UPS在电池架未与大地短接时,人体触摸到电池架有明显被电击的感觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路,造成人体触电。同时,此高频谐波严重干扰了外置的UPS电池单体电压监控系统,使电池电压监控测试仪无法正常工作。

(3)可靠性降低

自1947年首个晶体管问世,随后不到十年,晶闸管整流器在晶体管渐趋成熟的基础上问世,至今晶闸管已历时半个多世纪的发展和革新,耐受高电压、大电流晶闸管技术已非常成熟,其抗电流冲击能力非常强。晶闸管是半控器件,不会出现直通、误触发等故障。相比而言,上世纪80年代初问世的IGBT(绝缘栅双极晶体管)有许多优点,其开关频率可在几至几百千赫之间,是目前高频UPS主要功率器件。但是,IGBT有严格的电压、电流工作区域,抗冲击能力有限。在可靠性方面,IGBT一直比晶闸管差。根据大量的数据统计,采用晶闸管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率,前者大约为后者的1/4。

工频机通常采用晶闸管整流器,而高频机多采用IGBT整流器。因此,工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑,并通过了长时间和复杂电网的实际验证。
高频大功率UPS还有诸多缺点,详见表1。

 表1  大功率工频UPS和高频UPS技术对比表

不可否认,高频UPS有一些优点,但目前就技术发展和成熟度而言,大功率高频机有许多缺点还需要进一步技术优化和升级。某些厂商推出的大功率高频UPS仍在试用阶段。依据“可靠性第一”原则,在重要场合使用大功率UPS,仍然以工频机为首选。