談UPS的發展前景

　　摘要：本文介紹了工頻機UPS與高頻機UPS的區別，高頻機UPS的優點及其代替工頻機UPS的理由。并重申了工頻機UPS輸出變壓器的基本作用。

　　敘詞：工頻機UPS 高頻機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.

　　在歷史發展中總是遵循這樣一個規律：每當一種技術阻礙生產力發展時，就會有一種新的技術產生出來將其代替。毫不例外，高頻機UPS技術問世了。為了區別以前的UPS，就起了一個高頻機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構稱作工頻機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UPS。

　　3 高頻UPS比工頻機UPS有哪些優點

　　(1)輸入功率因數高

　　任何容量的高頻機UPS的輸入功率因數都可做到0.99或以上，諧波電流小于5%，前置發電機的容量理論上和UPS功率相同，大大縮減了投資和占地面積等。尤其是對市電的充分利用具有良好的經濟意義和社會意義。

　　(2)本身功耗小

　　在同樣指標下，比如要求輸入功率因數為0.95以上時，工頻機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設備，再加上輸出變壓器，就比高頻機UPS多了兩個環節，如圖1所示�！　�

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　　圖1 高輸入功率因數下的工頻機UPS和高頻機UPS結構方框圖

　　由于此二者的影響，使得工頻機UPS的效率比高頻機UPS低5%。在同樣100kW的容量時工頻機UPS每年要比高頻機UPS多消耗5萬度電!這在中央號召節能減排的今天具有深遠意義。

　　而高頻機UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵聽不到的頻率，使工作環境安靜下來。又由于高頻機UPS的輸入功率因數高達0.99以上，幾乎是線性，所以對外干擾幾乎為零�！　�

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　　(a) 工頻機UPS的并聯方框圖　　

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　　(b) 高頻機UPS的并聯方框圖

　　圖2 兩種UPS并聯方框圖

　　(4)體積小、重量輕

　　工頻機UPS由于有輸出變壓器和適應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 UPS 重1380kg，而同是這一家的250kVA高頻機 UPS 重量只有830kg。

　　(5)全數字技術

　　工頻機UPS開始是模擬技術，現在一般發展為數字與模擬相結合的技術。模擬技術的可靠性要比數字技術低。而高頻機UPS技術是一種全數字化技術，不言而喻，可靠性是很高的。

　　(6)對電網的適應能力強

　　工頻機UPS對于適應輸入電壓±15%的變化已很不易;而高頻機UPS甚至適應輸入電壓±30%以上的變化，這又大大延長了電池的壽命。

　　(7)能將并機環流衰減到幾乎為零

　　工頻機UPS的并聯就是變壓器的直接并聯，而變壓器的直接并聯最容易產生環流，而且這個環流的路徑暢通無阻，如圖2(a)所示。高頻機UPS由于沒有輸出變壓器，它們的并聯如圖2(b)所示。可以看出這里的環流路徑上處處是障礙，小于2V的電壓差根本形不成環流，而工頻機UPS在此情況下就會形成很大的環流。

　　總之，高頻機UPS在性能上不但能完全替代工頻機UPS，而且還增加許多后者沒有的特點。

　　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?以往有的認為工頻機的變壓器具有抗干擾和緩沖負載突變的作用，好像這個變壓器是為了這些目的專門為用戶設計的。是不是這樣呢?回答是否定的。首先，他把變壓器當成了電抗器，豈不知電抗器和變壓器有著本質的區別。再就是這個變壓器是工頻機不可分離的構成部分，而且作用也很簡單，下面進行討論。

　　(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。由于工頻機逆變器的輸入電壓遠遠低于這個值，所以必須加一個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，現在已不作為標配。　　

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　　圖3 輸出隔離變壓器的升壓作用電原理圖

　　(2)對零線的隔離作用

　　工頻機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，就會導致UPS的工作失常。圖中給出了在電壓正弦波正半波時的電流流動方向和途徑，負半波也是如此。從圖中可以看出，由于零線的接入，使負載電流經過負載后不是經過整流器和逆變管，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，負載電流應該流過兩個橋式電路的各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，當在輸出端增加了隔離變壓器后，就可以在變壓器的次級(負載輸入端)連接市電的零線，于是就構成了一個可靠的供電系統。

　　所以這個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宜之計，和其他沒有必然關系�！　�