在說工頻機高頻機之前,我們先明確下高頻機和工頻機的定義。國外沒有高頻機和工頻機的說法,他們定義有變壓器型和無變壓器型UPS,即TransformerUPS和Transformer-lessUPS。國內以整流器的調制頻率來區分,整流器的調制頻率為工頻(50Hz)調制的,定義為工頻機,整流器采用高頻(上千Hz)調制的,定義為高頻機。
另外UPS從外形結構上來區分的話,有機架式(RacktypeUPS)、模塊化(ModularUPS)和塔式(TowertypeUPS)機型。這個相對比較好理解,便于安裝在標準服務器或網絡機柜里面結構的UPS稱為機架式UPS;功率單元、旁路切換單元采用模塊化結構組成的機型稱為模塊化UPS;整流逆變均是按規定功率設計的整體機型稱為塔式機型。通常所說的高頻機和工頻機指塔式機型,機架式UPS只是把小功率(小于20kVA)的塔式機型的物理結構調整以適合機架安裝,本文不對機架式UPS進行對比分析。
1 工頻機
工頻UPS即基于變壓器輸出的UPS,使用SCR晶閘管器件作為整流器元件,整流器調制工作頻率與電網頻率(50Hz)一致,這種機型稱為工頻機。工頻UPS由整流器、逆變器、靜態旁路、維修旁路、輸出變壓器組成。輸出變壓器是UPS的必要組成部分,起升壓作用。因為UPS的整流、逆變的兩次變換均為降壓環節(SCR的管壓降),所以在UPS輸出之前必須有一個環節用于升壓,這個輸出變壓器就是用來實現這一功能的。
常見工頻機有兩種機型,6脈沖工頻整流和12脈沖工頻整流機型,原理圖如圖1所示。
12脈沖整流工頻機是在6脈沖的基礎上再增加1個6脈沖整流器和一個移相變壓器,這樣能夠帶來更優的整流參數指標,與6脈沖整流相比,12脈沖整流在輸入功率因數和諧波電流THDI參數指標上有明顯優勢,其指標對比見表1。
目前工頻機在市場上逐漸萎縮,特別是在數據中心和通訊機房,已經逐漸被高頻機、模塊化UPS所代替。工頻機也有其自身特點,在工業領域,尤其是石油石化、化工、高端制造等行業,工頻機仍然是主角,在整個UPS行業,工頻機市場占有率保持在30%以上。
2 高頻機
高頻機又有3種常見類型,在上世紀90年代后期,一種在SCR整流后端增加BOOST升壓斬波電路,將直流提升到UPS輸出所需的電壓,從而省掉了輸出變壓器。可以簡單理解為以直流升壓取代了之前工頻UPS變壓器的交流升壓,這樣不但成本更低,把UPS體積和重量大大降低,可以說是UPS行業重大技術革新。這種無變壓器的UPS,雖然整流器的前半部分仍然是SCR器件,但其整流后半部分包含IGBT高頻升壓斬波電路,從國內的定義上來看,這也屬于高頻機。目前這種BOOST升壓斬波高頻機型已越來越少,只有一些中小功率UPS會繼續采用。
隨著電力電子功率器件和UPS控制技術的不斷發展,先后出現全IGBT機型和全IGBT+輸出隔離變壓器機型,即IGBT整流+IGBT逆變無變壓器機型和IGBT整流+IGBT逆變有變壓器機型,其整流器采用高頻調別方式,調制頻率一般都是上千Hz。
根據整流器調制頻率定義的UPS機型,三種的高頻機的原理圖如圖2所示。
高頻機最大的特點是無變壓器,體積小重量輕,功率密度大,整機效率高,輸入諧波電流小,因此其發展前景更被看好,高頻化是電力電子發展的趨勢。但從應用情況來看,高頻機在環境適應性和抗沖擊能力上仍然不及成熟度更高的工頻機。
隨著社會供電環境對綠色電源和節能降耗的產品需求不斷增加,高頻IGBT整流UPS技術有了很大發展,IGBT器件的可靠性和穩定性也有了很大的發展,到現在已經越來越多的用戶選擇高頻機,特別是在數據中心、金融、通訊領域高頻機已是用戶首選機型。
3 模塊化機型
模塊化UPS是把高頻UPS的功率部分單獨做成一個個功率模塊,然后多個模塊并聯輸出,另外旁路切換模塊和控制單元也做成模塊單元,這樣整臺UPS就是一個個模塊疊加而成。模塊化UPS最大的特點是,功率部分很容易實現冗余功能,只要UPS帶載功率富余量大于單個模塊功率,UPS功率部分即可實現“N+1”冗余,從而提高UPS供電的可靠性。模塊化UPS還有個好處就是可用性高,當某個模塊故障時,直接更換模塊,維修時間非常短,維修非常方便。另外,模塊化UPS還經常提到“邊成長邊投資”的模式,即用戶可以在初始建設時購買較少的功率模塊,在業務增長、用戶設備增加后再購買功率模塊進行UPS擴容。模塊化UPS的原理結構圖如圖3所示。
在高頻機出現不久后,模塊化UPS就應運而生,模塊化UPS從理論上說,也是高頻機的一種,只是其結構與普通高頻塔式機型差別較大。模塊化UPS對并聯控制技術要求比較高,早期的模塊化UPS故障率偏高,每次維修更換模塊成本不低,因此選擇模塊化UPS的用戶很少,不是市場的主流。但隨著并聯控制技術逐漸成熟,模塊化UPS可靠性逐漸提高,而其高效率和高可用性的特點逐漸被市場認可,尤其是華為攜模塊化UPS重現UPS市場,迅速帶動模塊化UPS高速發展,其市場占有率直線上升,特別是在IDC信息機房、金融等領域,已和高頻塔式機不分上下。
4 三種機型的比較
工頻機、高頻機、模塊化UPS三種機型各有各的特點,我們從成熟度高、可擴展性、冗余性、整機效率、輸入諧波、PF指標、占地面積、快速維修等多方面進行比較,詳見表2。
