模塊化架構(gòu)是UPS技術(shù)發(fā)展的必然趨勢

靳華（新疆獨山子天利實業(yè)總公司，新疆奎屯833699）

模塊化架構(gòu)是UPS技術(shù)發(fā)展的必然趨勢

靳華（新疆獨山子天利實業(yè)總公司，新疆奎屯833699）

UPS作為化工裝置DCS、SIS系統(tǒng)的主要電源，直接關(guān)系到化工裝置的安穩(wěn)生產(chǎn)，隨著UPS關(guān)鍵部件模塊由橋式整流到可控硅整流逆變，再到現(xiàn)在的IGBT模塊，使UPS性能穩(wěn)定更可靠。

UPS電源；技術(shù)發(fā)展；IGBT模塊

1 從工頻機UPS到高頻塔式機UPS的發(fā)展

工頻機結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代，因其整流工作頻率與電網(wǎng)頻率一致而得名。受制于當(dāng)時半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，逆變器中IGBT器件耐壓只能做到600V，故母線電壓受限，逆變器輸出電壓不能做到380V；而且工頻機逆變器是全橋電路，輸出為三相火線，無法滿足單相IT負(fù)載和三相四線制負(fù)載的需求，必須進行Δ-Y轉(zhuǎn)換。為解決這些問題，廠家在工頻機逆變器輸出端加入了變壓器用于升壓和產(chǎn)生中線，以使輸出電壓滿足負(fù)載的要求，這便是工頻機內(nèi)置變壓器的真實目的。

通過整流側(cè)高頻升壓電路將母線電壓提升至700V左右，逆變器輸出電壓可以做到380V，

輸出變壓器得以取消。而這種整流逆變電路都工作在高頻(幾kHz以上)且沒有輸出變壓器的UPS就被稱為高頻UPS。

2 高頻UPS與工頻UPS的對比

2.1 工頻機輸入功率因數(shù)低、諧波高

工頻機UPS采用可控硅半控整流，6脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)低于0.7，諧波高達30%;12脈沖整流UPS輸入功率因數(shù)最高僅為0.8，諧波高達15%，即使加上諧波處理措施，功率因數(shù)最高也只能改善至0.95。相比之下，高頻機采用IGBT-PFC全控整流，輸入功率因數(shù)業(yè)界均可做到0.99，諧波電流小于3%。嚴(yán)重的諧波污染不僅可能干擾其他設(shè)備無法工作、使控制與保護器件誤動作外，而且直接導(dǎo)致投資大幅增加：客戶需要購買額外的諧波處理設(shè)備降低諧波;如果前端接柴油發(fā)電機備電，發(fā)電機的容量要配置為UPS容量的2-3倍，同時前級配電器件、線纜等均需要提升20%左右，而高頻機只需前端發(fā)電機容量配置為UPS容量的1.2-1.5倍即可，配電容量和UPS容量保持一致或略高。

2.2 工頻機功耗大

有三個因素導(dǎo)致工頻UPS效率低于高頻UPS。一是工頻UPS整流為降壓拓?fù)?，器件工作電流大，無論是內(nèi)部線路無論是線性損耗還是平方損耗都比高頻機高;二是因輸出需要升壓的原因工頻機比高頻機多內(nèi)置一個輸出變壓器，致使工頻機效率下降2%-3%左右;三是在實際應(yīng)用中，為了提高輸入功率因數(shù)至0.95以上，并降低其注入電網(wǎng)的諧波污染，工頻機還要外置一個5次或11次諧波濾波器，效率將再次下降2%-3%。以400kW負(fù)載為例，工頻機將比高頻機年多耗電41萬度，比模塊化年多耗電近58萬度。除此之外，工頻UPS還有高諧波、低功率因數(shù)等導(dǎo)致配電線纜損耗增大等問題。

2.3 工頻機體積大、重量重

因為工頻機采用低頻器件且配置輸出變壓器，致使UPS體積重量大大增加。以某品牌400kVA工頻機和高頻機對比，工頻機重量是高頻機的2.2倍，體積是高頻機的1.5倍，在實際運輸中可能存在機房門或者走道偏小、電梯載重不夠、樓層承重不足等問題，有些情況下甚至需要用吊車裝卸，然后破墻而入來安裝工頻UPS，大大增加了運輸時間及成本。

2.4 工頻機相比高頻機在可靠性方面并無優(yōu)勢

工頻機和高頻機的主要差異體現(xiàn)在整流器和變壓器上。工頻機整流器采用SCR器件，電壓應(yīng)力小，電流應(yīng)力大，高頻機主要采用IGBT器件，電流應(yīng)力小，電壓應(yīng)力大。事實上，工頻機的逆變部分也是使用IGBT，并沒有因此而降低工頻機的可靠性，也沒有證據(jù)證明逆變器是工頻機的薄弱環(huán)節(jié)。從拓?fù)渖现v，工頻機用的是相控整流+全橋逆變，高頻機一般采用高頻整流+半橋逆變。這些拓?fù)渚鶠殡娏﹄娮蛹夹g(shù)上非常常用的拓?fù)?，并不存在誰原理上更可靠的問題，其可靠度取決于設(shè)計的水平。

而對于變壓器，業(yè)界經(jīng)?？梢月牭狡浜芏嗨^的優(yōu)點，比如抗沖擊能力強、降低零地電壓等，然而真的是這樣嗎?

第一，過載能力強，抗負(fù)載沖擊能力強。過載能力是IEC62040-3中要求標(biāo)稱的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其強弱可通過實際數(shù)據(jù)來衡量。但實際上電感平滑電流的能力與其本身感量成正比。工頻機輸出變壓器變比小，變壓器輸出繞組的勵磁電感也不會太大，在大電流沖擊下極易飽和，很難對逆變器的沖擊有明顯的緩沖作用。而按照傳統(tǒng)變壓器傳遞能量的特點與磁性器件原理分析，當(dāng)后級負(fù)載也就是變壓器輸出側(cè)出現(xiàn)能量沖擊時，在變壓器能量傳遞能力達到飽和上限之前，后端的尖峰勵磁電流會直接反射到前端對UPS的IGBT產(chǎn)生沖擊，并且由于變壓器的變比問題前端所受到的沖擊電流會比輸出端更大，同時造成的損害也更為嚴(yán)重。而且，工頻系統(tǒng)由于變壓器的磁滯特性，難以實時監(jiān)測后級動態(tài)響應(yīng)。當(dāng)變壓器后端出現(xiàn)突變并反饋到前級時，系統(tǒng)采取相關(guān)動作較無變壓器的高頻機來說會延遲幾十甚至幾百個ms，此時流過IGBT的沖擊電流已經(jīng)足夠損壞UPS甚至引發(fā)火災(zāi)。

第二，在逆變器IGBT管直通故障時隔斷直流危險電壓。工頻機變壓器確實可以避免直流傳遞至副邊，但高頻機通過快速檢測與保護措施一樣可以避免直流危險電壓對負(fù)載造成危害。

第三，可以降低零地電壓。許多服務(wù)器等設(shè)備都有零地電壓的要求，盡管這樣設(shè)計的原因已無法考證，因為從理論上來說零地電壓的大小并不會影響IT設(shè)備的正常工作。在相同的系統(tǒng)中，無論是工頻機還是高頻機均不會影響零線阻抗，而零線電流及三次諧波電流主要是與三相負(fù)載配置與負(fù)載特性有關(guān)，即UPS的類型不會對于零地電壓不會有明顯的影響。真正決定零地電壓的是配電系統(tǒng)的設(shè)計。如果需要改善零地電壓，最好是從配電系統(tǒng)入手，著手減少線路阻抗與零線電流。減少線路阻抗最有效的方式即在負(fù)載的列頭柜內(nèi)置隔離變壓器。需要注意的是在應(yīng)用時有將工頻機變壓器副邊直接接地的做法，這是一種不規(guī)范的做法。