談UPS的發(fā)展前景
摘要：本文介紹了工頻機(jī)UPS與高頻機(jī)UPS的區(qū)別，高頻機(jī)UPS的優(yōu)點(diǎn)及其代替工頻機(jī)UPS的理由。并重申了工頻機(jī)UPS輸出變壓器的基本作用。
敘詞：工頻機(jī)UPS 高頻機(jī)UPS 輸出變壓器
Abstract：This paper introduced the difference between industrial frequency UPS and high frequency UPS. High frequency UPS excellence and the reason of replace industrial frequency UPS.Besides iterates the basic function of industrial frequency UPS output transformer.
在歷史發(fā)展中總是遵循這樣一個(gè)規(guī)律：每當(dāng)一種技術(shù)阻礙生產(chǎn)力發(fā)展時(shí)，就會(huì)有一種新的技術(shù)產(chǎn)生出來將其代替。毫不例外，高頻機(jī)UPS技術(shù)問世了。為了區(qū)別以前的UPS，就起了一個(gè)高頻機(jī)UPS的名字。原來那種輸入輸出都工作在50Hz并且有輸出變壓器的老的電路結(jié)構(gòu)稱作工頻機(jī)UPS;而這種輸入輸出電路都工作在20kHz以上且沒有的輸出變壓器的電路就稱為高頻機(jī)UPS。
3 高頻UPS比工頻機(jī)UPS有哪些優(yōu)點(diǎn)
(1)輸入功率因數(shù)高
任何容量的高頻機(jī)UPS的輸入功率因數(shù)都可做到0.99或以上，諧波電流小于5%，前置發(fā)電機(jī)的容量理論上和UPS功率相同，大大縮減了投資和占地面積等。尤其是對(duì)市電的充分利用具有良好的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。
(2)本身功耗小
在同樣指標(biāo)下，比如要求輸入功率因數(shù)為0.95以上時(shí)，工頻機(jī)UPS就必須外加諧波濾波器或改為12脈沖整流，就是說前面要增加一個(gè)設(shè)備，再加上輸出變壓器，就比高頻機(jī)UPS多了兩個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。
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圖1 高輸入功率因數(shù)下的工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS結(jié)構(gòu)方框圖
由于此二者的影響，使得工頻機(jī)UPS的效率比高頻機(jī)UPS低5%。在同樣100kW的容量時(shí)工頻機(jī)UPS每年要比高頻機(jī)UPS多消耗5萬度電!這在中央號(hào)召節(jié)能減排的今天具有深遠(yuǎn)意義。
而高頻機(jī)UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵聽不到的頻率，使工作環(huán)境安靜下來。又由于高頻機(jī)UPS的輸入功率因數(shù)高達(dá)0.99以上，幾乎是線性，所以對(duì)外干擾幾乎為零。
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(a) 工頻機(jī)UPS的并聯(lián)方框圖
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(b) 高頻機(jī)UPS的并聯(lián)方框圖
圖2 兩種UPS并聯(lián)方框圖
(4)體積小、重量輕
工頻機(jī)UPS由于有輸出變壓器和適應(yīng)50Hz的電感電容等低頻器件使得體積重量都很大。比如某品牌200kVA工頻機(jī) UPS 重1380kg，而同是這一家的250kVA高頻機(jī) UPS 重量只有830kg。
(5)全數(shù)字技術(shù)
工頻機(jī)UPS開始是模擬技術(shù)，現(xiàn)在一般發(fā)展為數(shù)字與模擬相結(jié)合的技術(shù)。模擬技術(shù)的可靠性要比數(shù)字技術(shù)低。而高頻機(jī)UPS技術(shù)是一種全數(shù)字化技術(shù)，不言而喻，可靠性是很高的。
(6)對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)能力強(qiáng)
工頻機(jī)UPS對(duì)于適應(yīng)輸入電壓±15%的變化已很不易;而高頻機(jī)UPS甚至適應(yīng)輸入電壓±30%以上的變化，這又大大延長了電池的壽命。
(7)能將并機(jī)環(huán)流衰減到幾乎為零
工頻機(jī)UPS的并聯(lián)就是變壓器的直接并聯(lián)，而變壓器的直接并聯(lián)最容易產(chǎn)生環(huán)流，而且這個(gè)環(huán)流的路徑暢通無阻，如圖2(a)所示。高頻機(jī)UPS由于沒有輸出變壓器，它們的并聯(lián)如圖2(b)所示�？梢钥闯鲞@里的環(huán)流路徑上處處是障礙，小于2V的電壓差根本形不成環(huán)流，而工頻機(jī)UPS在此情況下就會(huì)形成很大的環(huán)流。
總之，高頻機(jī)UPS在性能上不但能完全替代工頻機(jī)UPS，而且還增加許多后者沒有的特點(diǎn)。
4 UPS輸出隔離變壓器的作用
能夠取消輸出隔離變器的理由何在?以往有的認(rèn)為工頻機(jī)的變壓器具有抗干擾和緩沖負(fù)載突變的作用，好像這個(gè)變壓器是為了這些目的專門為用戶設(shè)計(jì)的。是不是這樣呢?回答是否定的。首先，他把變壓器當(dāng)成了電抗器，豈不知電抗器和變壓器有著本質(zhì)的區(qū)別。再就是這個(gè)變壓器是工頻機(jī)不可分離的構(gòu)成部分，而且作用也很簡(jiǎn)單，下面進(jìn)行討論。
(1)工頻變壓器的作用
UPS輸出的有效值電壓為220V，其正弦波交流電壓的峰峰值電壓是620V，而一般單相UPS的輸入整流電壓才310V(這還不包括一般為196V電池的情況)，為了使逆變器不失真地輸出有效值為220V的正弦波交流電壓，逆變器前面的直流電壓必須是650V～870V。由于工頻機(jī)逆變器的輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)值，所以必須加一個(gè)輸出變壓器將電壓提升到額定峰值以上才可使用，如圖3所示。圖中所示為電池電壓是192V的情況。在中小功率中，為了節(jié)約成本，一般都不將電池電壓做得太高，所以輸出隔離變壓器一般為升壓工作方式。圖中虛線以左的部分為輸入隔離變壓器，現(xiàn)在已不作為標(biāo)配�！ �
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圖3 輸出隔離變壓器的升壓作用電原理圖
(2)對(duì)零線的隔離作用
工頻機(jī)UPS采用的是全橋變換器，如圖4所示。這種變換器輸出的不是一根火線和一根零線，而是兩根火線。但一般的UPS負(fù)載要求必須具有零線，以便于接地，如果在沒有輸出隔離變壓器的情況下，就將一根火線硬性接地，如圖4(a)所示，就會(huì)導(dǎo)致UPS的工作失常。圖中給出了在電壓正弦波正半波時(shí)的電流流動(dòng)方向和途徑，負(fù)半波也是如此。從圖中可以看出，由于零線的接入，使負(fù)載電流經(jīng)過負(fù)載后不是經(jīng)過整流器和逆變管，而是直接流回市電的零線輸入端，在這種情況下，圖中用虛線標(biāo)出的一只整流器和一只逆變功率管就未起作用。按照正常的工作程序，負(fù)載電流應(yīng)該流過兩個(gè)橋式電路的各2只管子，如圖4(c)所示，圖4(d)是它的等效電路。由電路可以看出，當(dāng)在輸出端增加了隔離變壓器后，就可以在變壓器的次級(jí)(負(fù)載輸入端)連接市電的零線，于是就構(gòu)成了一個(gè)可靠的供電系統(tǒng)。
所以這個(gè)變壓器是全橋電路不可分割的一部分。是為了解決上述困難的權(quán)宜之計(jì)，和其他沒有必然關(guān)系。
