高頻機與工頻機的UPS優(yōu)劣分析

帥業(yè)明

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心等機房建設(shè)中需要穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，而UPS以安全、智能和環(huán)保等特點被廣泛運用?，F(xiàn)有高頻機和工頻機兩種形式，針對哪種設(shè)備更好，使用者各有爭論。綜合考慮輸入功率因數(shù)、體積、質(zhì)量、防干擾和頻率等因素，高頻機可能將代替工頻機成為UPS未來的發(fā)展方向。具體運用過程中，要結(jié)合實際情況設(shè)計方案，從眾多方案中選擇最適合的設(shè)計方案，以保證用電的穩(wěn)定性和安全性。

1 高頻機UPS與工頻機UPS

定義上，高頻機UPS是利用高頻配件取代原先UPS中的配件，進而為高頻器件提供充足的蓄電電源。該電源有輸出頻率高、體型面積小等特點，是當前我國機房中普遍使用的UPS電源。高頻機不含有隔離變壓器，輸送電源含有高頻電流，主要是因為城市電網(wǎng)中的UPS整流器、諧波干擾、負載諧波干擾和高頻逆變器脈沖電流等嚴重干擾電壓。電壓不但數(shù)值高，還很難降低，導(dǎo)致工頻機零地電壓更低，缺少高頻。工頻機UPS和高頻UPS相比，出現(xiàn)時間較早，運用時間較長。隨著技術(shù)的發(fā)展，受新型技術(shù)的影響，工頻機UPS內(nèi)部出現(xiàn)了各種微處理器和報警系統(tǒng)等先進技術(shù)手段，且在第六代IGBT及安靜開關(guān)技術(shù)下提升了電源容量和運用性能，在我國很多領(lǐng)域中廣泛運用[1]。

針對兩種UPS選型，我國很多用戶仍然使用工頻機UPS電源。因為該電源運用時間長久，深受客戶喜愛，且這些用戶使用工頻機UPS電源已經(jīng)習慣，在使用過程中思想上存在一些弊端，認為工頻機UPS比高頻機UPS強。事實上，我國計算機技術(shù)發(fā)展速度很快，通過科學(xué)技術(shù)和先進的信息技術(shù)水平，在電子領(lǐng)域中可將創(chuàng)新技術(shù)理念融入高頻機UPS技術(shù)。在數(shù)據(jù)中心供電電源選擇上，主要以節(jié)能減排為主。USP將來的發(fā)展方向也將是面向智能和節(jié)能，在一定程度上可提升效率、節(jié)約成本。當前，高頻機UPS技術(shù)不斷完善，符合現(xiàn)代社會低碳環(huán)保的潮流，且其外觀和性能隨著技術(shù)的發(fā)展而轉(zhuǎn)變，很多國際著名UPS生產(chǎn)廠家已經(jīng)減少工頻機UPS的生產(chǎn)而轉(zhuǎn)為高頻機UPS的生產(chǎn)?？梢?，高頻機UPS是未來的發(fā)展方向。

2 高頻機UPS與工頻機UPS電路結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

一般來說，傳統(tǒng)輸出和輸入電源都在50 Hz且輸出變壓器中電路結(jié)構(gòu)的UPS叫做工頻機UPS，將輸出和輸入電源在20 Hz以上且輸出變壓器電路結(jié)構(gòu)的UPS叫做高頻機UPS。以往工作中，大頻率結(jié)構(gòu)UPS的基本構(gòu)造是升壓變壓器、IGBT逆變器、直流母線和晶閘管整流。現(xiàn)在，小功率高頻機UPS的主要構(gòu)造是獨立充電器、逆變器、二極管整流和DC BOOST升壓環(huán)節(jié)等；中大功率中高頻機UPS基本構(gòu)造為獨立充電器、逆變器、IGBT整流和DC BOOST升壓環(huán)節(jié)?？梢?，高頻機和工頻機主要面向整流環(huán)節(jié)，工頻機使用晶閘管整流，最好狀態(tài)也是進行脈沖整流。小功率高頻機使用二極管不控整流和高頻直流升壓環(huán)節(jié)等；中大功率高頻機主要包括IGBT結(jié)構(gòu)等。最開始UPS中運用晶閘管逆變工作模式，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰，多使用IGBT中高頻逆變工作模式。此外，工頻機運用中，整流逆變環(huán)節(jié)不可缺少，需要有效的降壓；電流輸出則必須有升壓環(huán)節(jié)，因此輸出變壓器不可缺少。高頻機中有DC/DC升壓環(huán)節(jié)，輸出側(cè)可以不加升壓環(huán)節(jié)。針對需要添加變壓器的部分，高頻器可以根據(jù)實際要求加入隔離變壓器，作用也從原先的必須轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的可選配制。UPS電氣結(jié)構(gòu)之所以發(fā)生了重大變化，是因為技術(shù)的發(fā)展促使電器元件不斷發(fā)展。IGBT作為UPS的主要元件，在外觀和技術(shù)上都有所進展，完全性、容量和結(jié)構(gòu)也都遠強于SCR。隨著數(shù)字化和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，最新的UPS也由開始的工頻機逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l機，轉(zhuǎn)變的最大特點是UPS主機體積變小、質(zhì)量降低，更重要的是電氣元件性能更強。

3 高頻機UPS和工頻機UPS的不同

3.1 輸入功率因數(shù)

高頻機UPS可以輕易將IGBT整流功率因素調(diào)整到1，諧波電流低于5%，減少電力回饋出現(xiàn)的干擾等問題。前置發(fā)電機和UPS的容量基本相同，降低了設(shè)備的投入和空間占有率。工頻機UPS電流的輸入是運用晶閘管六脈沖整流，往往功率因數(shù)最高為0.8，但是諧波電流高到30%，前置發(fā)電機是USP的3倍。如果單相小功率UPS，則可能超過5倍。

3.2 功率方面

同等工作環(huán)境下，如果輸入功率因素為0.9以上，工頻機UPS需要使用無源濾波器和十二脈沖整流結(jié)合的工作模式，或者使用有源濾波器和六脈沖整流結(jié)合。也就是說，如果想要正常運行，工頻機UPS需要在前面添加一個輸出變壓器。這意味著如果運用工頻機UPS，需要多添加2個設(shè)備，功率更高。和高頻機相比，這不但工作效率低，而且耗能更高[2]。

3.3 體積、質(zhì)量和防干擾方面

因為高頻機輸出開關(guān)頻率很高，經(jīng)常出現(xiàn)輸出波形平滑的情況，不需要更多電感元件，因此可減少變壓器設(shè)備數(shù)量，然后體積和重量隨之減少。例如，我國市面上普遍出售的200 kVA工頻機UPS重量達1 400 kg、體積大，而統(tǒng)一品牌的250 kVA高頻機UPS重量只有800 kg，質(zhì)量和體積上優(yōu)勢明顯。另外，高頻機UPS運行頻率為20 kHz左右，工作時人耳不能聽到該頻段的頻率，噪聲明顯減少，且輸入功率因數(shù)可到1，線性上游，幾乎沒有對外的干擾。但是，工頻機UPS運行時產(chǎn)生巨大的機械噪聲等，對周邊環(huán)境造成環(huán)境污染。

3.4 電網(wǎng)適應(yīng)能力

工頻機UPS最多可適應(yīng)電壓變化15%，超過這一范圍，工頻機就不能再運作[3]。但是，高頻機UPS可以適應(yīng)輸入電壓變化30%左右，這在很大程度上延長了電池的使用壽命和工作效率。

3.5 數(shù)字化技術(shù)

工頻機UPS一般運用模擬技術(shù)，隨著科學(xué)進步，開始使用數(shù)字和模擬技術(shù)相結(jié)合的方式。雖然它的安全性和運行效率有所提升，但是和全數(shù)字技術(shù)不可比擬。而高頻機UPS是全數(shù)字化技術(shù)，可靠性加強。

4 結(jié) 論

綜上所述，我國很多企業(yè)為了提升電力資源利用率，使用高頻機和工頻機UPS維護數(shù)據(jù)中心機房中電力的穩(wěn)定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)工頻機在運行中的缺陷逐漸顯現(xiàn)，高頻機將得到更多客戶的重視和利用。因此，要明確認識這兩種電源的優(yōu)劣性，重視高頻機UPS的運用，以期不斷提升我國的生產(chǎn)技術(shù)和水平。