不同种类UPS比较分析

强调绿色、重视节能一直是这几年UPS（UninterruptablePowerSystem）供电系统技术创新的重点。节能主要体现在UPS产品本身的节能和机房的整体节能上，而“绿色”UPS主要主要体现在提高整机效率、减少对电网的干扰，以及少占用空间、节省成本、支持边成长边投资等，所以使用节能型UPS的用户在逐渐增多。从目前市场占用情况看，UPS分为后备式、在线式和在线互动式三种。大功率UPS主要集中在传统的在线式工频UPS和高频UPS，但一些厂家也相继推出飞轮UPS或动态UPS、大功率交流直供或离线式UPS。 
 
本文通过对不同类型UPS工作原理分析、拓扑对比、数据分析和性能对比，全面搜集、整理、总结了各类UPS的特点，以期大家在UPS供电系统建设、选型、优化和运行维护管理时作为参考。 
 
一、传统后备式UPS 
 
后备式（Standby）UPS，也是一种离线式（Off-Line）UPS，当市电正常时，由市电给负载设备供电，并给蓄电池浮动充电。当市电电压波动超过规定值时，启动逆变电路将电池的直流电转换为稳定的交流电输出，给负载供电。后备式UPS平时由于是由市电直接给负载供电，所以无法消除市电电网上存在的浪涌、尖峰、频率漂移等电气污染，而且容量比较小。但是它的技术简单，成本较低，价格相对低廉，多用于对电压稳定性要求不高的场合。 
 
典型后备式UPS原理图如图1所示。


二、传统工频UPS 
 
1.工频机原理 
 
UPS的技术发展，从20世纪60年代诞生开始，就和功率元器件的发展密不可分。自UPS技术诞生以来，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier,SCR）相控整流技术一直是整流技术的主流，体现出了很高的可靠性。工频机是以传统的模拟电路原理设计，由SCR、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组成的恒压、恒频电源设备，为负载提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电整流通过逆变器或直接稳压后供负载使用，此时的UPS就是一台交流稳压器，同时还向机内蓄电池充电。当市电发生中断等情况时，UPS立即将电池的电能通过逆变器转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常工作，并保护负载软、硬件不受损坏。同时还具备电力净化的功能。工频机属于双转换式（Double-Conversion）UPS，又称为在线式（On-Line)UPS，因其整流器和变压器工作频率均为50Hz，顾名思义叫工频UPS。典型的工频UPS拓扑框图如图2所示。

2.工频机特点 
 
在工频UPS电路中，主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。 
 
由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变器输出增加升压隔离变压器。同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。 
 
再次，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。工频机典型母线电压通常为300～500V，可直接挂接三十几节12V电池，不需要另外增加电池充电器。 
 
三、高频UPS 
 
1.高频机工作原理 
 
进入20世纪80年代，伴随着IGBT控制技术的逐步成熟，各UPS厂家开始在UPS产品中采用这种新型电子开关器件。相对于SCR和晶体管来讲，绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT）是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，具有高速开关的特性，因此，UPS厂家首先在UPS的逆变部分开始采用IGBT器件，在将IGBT应用到逆变器的同时，部分UPS厂家开始尝试将IGBT应用到UPS的整流部分，以期达到提高UPS指标的作用。 
 
高频机通常由升压型（BOOST）的脉宽调制IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断。IGBT整流器开关频率通常在几千至几万赫兹,甚至高达几十万赫兹，相对于50Hz工频,称之为高频UPS。 
 
IGBT整流器一方面用来将电网电压整流成直流电压送往逆变器;同时也可以将反向制动产生的能量通过IGBT逆变成网侧频率电压送往电网。在IGBT模块中，与IGBT元件还并联一个二极管。此二极管在逆变器中常作续流二极管，将马达反向制动过程的机械能量反馈回逆变输入侧。而在IGBT整流器中，整流过程主要是依靠二极管进行全波整流，并不是依靠IGBT进行整流，也不进行调压，调频调压主要由逆变器实现。IGBT元件的功能主要体现在提高功率因数为1，同时将系统回馈能量逆变成工频电压反馈回电网。典型高频机拓扑框图如图3所示。

高频UPS整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值高，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到六十多节，这样给实际应用带来极大的限制。因此，一般高频UPS会单独配置一个电池变换器，市电正常时，电池变换器把母线电压降压到电池组电压，市电故障或超限时，电池变换器把电池组电压升压到母线电压，从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压高，所以逆变器输出相电压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。因此，隔离变压器是工频机和高频机在组成上的主要区别。 
      2.高频机特点 
 
IGBT在UPS中的应用*早只限于逆变器。这主要是因为虽然IGBT的电流做得比较大，但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围。经过这十多年的发展，IGBT制造技术也有了长足进步，几经改进，已经达到了用于UPS整流器的条件。目前已有一些厂家将IGBT整流的高频机结构UPS容量做到了覆盖工频机结构UPS当前达到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高频化的进程。 
 
随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世，中小功率段的UPS产品正逐步高频化。高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。采用IGBT整流器设计方案所带来的主要优点如下： 
 
（1）改善了UPS的输入谐波特性。它结束了可控硅多脉冲整流无法达到的高输入功率因数水平的问题，例如，它可在半周中有上万个整流电流脉冲，使得UPS的输入功率因数PF>0.99，输入电流谐波含量的THDI