高频机与工频机对比.doc

高频机和工频机的概念解析

现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。而UPS行业的发展也是从工频机向高频机的转变。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的功率MOSFET和IGBT，其集高频、高压和耐大电流于一身,使UPS的数字化不断深化，体积小，容量大，高频化将成为UPS的发展方向，
大中型的UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机。

工频机的结构如下图：

其基本的架构为：可控硅整流（Rectifier）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)→升压变压器(Transformer)
这种UPS采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电，再通过桥式IGBT逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器将交流升压及滤波，提供纯正的交流输出。
其缺点为，从整流和逆变的过程中，都是降压环节。可控硅整流通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定，因此可控硅整流以斩掉一部分输入交流电为代价，输出电压只能恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。而逆变环节同样是一个降压环节，因同样用的是斩波的做法，其结果是输出电压等级的再次降低。
正是由于上述的原因，在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，将逆变输出的较低交流电压升致合理的输出范围，最终提供了恒定的220/380V输出。

新型的高频机的结构则如下图：

其基本的架构为：二极管整流（Rectifier）→升压电路（Booster）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)
此种的结构为双转换技术，有升压（Booster）和逆变（Inverter）两个高频环节。因整流部分使用了二极管整流，不需要调整整流的导通角，整流后的DC电压不必控制，所以高频机的输入功率因数将提高，输入的市电范围可变宽。而升压（Booster）的环节使用了PFC的调控技术，用IGBT工作在高频下调控，可以使BUS的电压稳定在较高的电位，而且BUS电压稳定，纹波小。再经逆变（Inverter）的PWM调制后可得到理想的220V输出，而无需升压变压器，实现高效、节能、体积小的多重优点。
另外，在新型的高频机，充电的环节可以针对不同的电池设定不同的充电方案，达到延长电池寿命的目的。
如下图：

高频机采用全IGBT技术的UPS，在BUS上引出的直流电经过IGBT斩波控制，可实现对电池的精确充电，并可通过数字化控制细化参数设置。如控制为恒流充电则可避免在恒压充电中出现的因开始充电时候电流大而减短电池寿命的情况。

● 高频机采用的全IGBT技术代表新型电源，特别是大中功率电源发展的方向，对比工频机有其显著的优点：
工频机
高频机
采用可控硅整流，输入功率因数低，只能附加功率因数的补偿环节，效果不理想，对电网有回溃污染
采用二极管整流，功率因数接近1。从根本上解决回溃干扰的问题
功率因数0.8～0.9
功率因数＞0.95 主动功因＞0.99
输入市电范围为 220V±10%～220V±15%
输入市电范围为 220V±25%
输入电流谐波约为 30%
输入电流谐波可小于 10%
在整流和逆变两部分用的都是斩波降压的形式，因此在输出端必须加升压的变压器使电压达到输出的要求，成本高，体积大
因有升压环节（Booster），其BUS电压在较高的电位，可以省掉输出的变压器，成本低，体积小，理论分析和实践经验表明，将把频率从工频50Hz提高到20kHz，体积重量可下降30%
BUS纹波大，为±10%
BUS纹波小，可小于0.1%
电池直接挂BUS，充电电压由可控硅整流控制，，BUS纹波大，通过BUS直接给电池充电,只能是恒压限流充电，充电形式单一，不能满足各种不同类型电池的要求
BUS的电压由高频的IGBT升压电流控制，BUS纹波小，因此可采用IGBT调制的充电技术，充电的参数灵活多变，可以针对不同类型的电池定制充电的曲线，可做到恒流充电，大大延长电池的使用寿命

●对于输出端接入输出变压器的说明
由上面可见，输出的隔离变压器在采用全IGBT技术的高频机中完全可以省掉。但对于特殊的场合，高频机同样可接入输出变压器，输出变压器作为高频机的一个可选项目，能使UPS的性能更完善，满足不同负载的使用要求。
负载的配电与UPS的输出不一致的情况。例如负载为三相角接输入，在UPS的输出接星型/角型的变压器可令UPS在此场合得到稳定的应用。
负载要求配电的隔离，如一些医疗设备对配电的要求较为严格，此时在UPS的输出端接入变压器，可以达到隔离的效果，有效抑制共模的干扰，满足负载对输入配电的特殊要求。
同样可以想到，在工频机中接入的输出变压器担当了升压和隔离双重的角色，隔离的功能并不能完善，UPS有旁路和逆变两路的输出，逆变的输出接升压隔离的变压器，而旁路的输出为直接输出，无隔离的效果。而高频机选配的隔离变压器接入的是旁路和逆变的共同输出，所以在UPS工作在任何的状态都能满足负载对配电的特殊要求。

高频机与工频机的性能比较

工频机
高频机
外形尺寸、重量、成本
体积大、比较重、造价高
体积小、重量轻、造价低
负载类型
采用低频逆变且变压器耦合输出，对负载要求不严格，能适应阻性、容性、感性等综合性负载。
对非线性负载能力较差，不适合冲击性、感性负载。适用于PC机，服务器。
工作频率
工频机由于逆变频率为50Hz，就不存在射频干扰问题，适合各种负载。
高频机由于逆变频率为50kHz，不适合要求性能高的负载，因为它有一定的射频干扰，很多负载对射频干扰比较敏感。
带载能力
工频机输出功率因素为0.8，1KVA有800W有效功率输出。
一般高频机输出功率因素为0.7左右，高频机1KVA只有700W有效功率输出。
输出隔离方案
工频机采用低频整流为兼容电池电压的总线，逆变器采用工频变压器转换电压同时利用变压器的等效电感和输出电容滤波输出，这样，即保证了动态响应和隔离又可以减少各种负载对逆变器的冲击。
高频加输出隔离方案对冲击性负载有一个缓冲作用是保护逆变器，但是对动态响应恢复时间（0—100%跃变）范围失去作用，因为UPS只能保证高频输出端的电压稳定。
在负载0—100%跃变，而不能保证隔离变压器的负载压降和动态恢复时间,同时增加主机的功耗。
工作原理
工频机采用低频可控整流为兼容电池组电压的总线，工频机因采用低频全桥逆变且变压器耦合经LC滤波输出。
高频机采用半桥逆变模式通过SPWM变换，输出端加LC滤波器这种电路需将市电整流（电池电压）通过高频升压到±380V左右双直流总线，然后高频逆变输出。

高频机与工频机区别
定义
1、高频机：利用高频开关技术，以高频开关元件替代整流器和逆变器中的工频变压器的UPS，俗称高频机，高频机体积小、效率高。
2、工频机：采用工频变压器作为整流器与逆变器部件的UPS俗称工频机，主要特点是主功率部件稳定可靠、过负荷能力和抗冲击能力强。
比较
1、高频机不带隔离变压器，其输出零线存在高频电流，主要来自市电电网的谐波干扰、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波干扰等，其干扰电压不仅数值高而且难以消除。而工频机的输出零地电压更低，而且不存在高频分量，对于计算机网络的通信安全来讲，更加重要。
2、高频机输出没有变压器隔离，如果逆变功率器件发生短路，则直流母线（DC BUS）上的高直流电压直接加到负载上，这是安全隐患，而工频机则不存在此问题。
3、工频机的抗负载冲击能力较强。
性能比较表
序号
比较的指标
高频机
工频机
1
过载能力
一般
较强
2
抗输入浪涌能力
一般
较强
3
输出抗冲击、短路能力
一般
较强
4
输入PF值
0.99
0.8
5
整机效率
85～90%
75～85%
7
零地电压
相对较差有高频分量
相对较好
8
输出级元器件
多
少
9
功率器件容量 
小
大
10
故障时器件损坏程度 
高
低
11
可靠性
一般
好
12
可维护性
较复杂
较简单
13
重量
较轻
较重
14
体积
较小
较大
15
与发电机适应力
较差
好
从以上的比对中可以清晰的看出工频机在很多的方面优于高频机。对于可靠性要求较高的一些重要、关键部位的电源保护方案还应以工频机为首选。