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1、NEWSOFT 广州新软 智能交通改变未来 大功率切)S工频机和高频机性能对比 工频机和高频机的定义和原理分析 工频机的定义与原理分析 U P S通常分为工频机和高频机两种。工频机由可控硅 SCR整流器、IGBT逆变器、旁路和工频升压隔离变压器组 成。因其整流器和变压器工作频率均为工频50HZ，顾名思义 叫工频UPS。典型的工频UPS拓扑如图1所示。 图1典型工频UPS拓扑 主路三相交流输入经过换相电感接到三个S C R桥臂组成 的整流器后，变换成直流电压。由于SCR属于半控器件，控 制系统只能够控制开通点，一旦S C R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
2、关 断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，只能通过控 制整流桥S C R的导通角来调节输出直流电压值，不存在高频 的开通与关断功能。 由于SCR整流器属于降压整流，所以经逆变输出的交流 电压比输入电压低，若要使输出相电压能够得到恒定的220V 电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时，若增 加了隔离变压器，系统的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对输出零线的干扰。 同时，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300V一500V之间，可直接挂 接三十几节电池，不需要另外增加电池充电器。 工频机按整流器晶阐管数量的不同，通常分为6
3、脉冲工频 机和12脉冲工频机两种类型。6脉冲工频机指由6个可控硅(晶 陕西西汉高速公路有限责任公司高昊 闸管)组成全桥整流，有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制， 所以nq6脉冲整流工频机。6脉冲整流工频机拓扑如图2所示。 6脉冲整流器 图2典型6脉冲工频机拓扑 12脉冲工频机是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端 由于增加移相变压器使得再增加一组6脉冲整流器，使直流母 线由12个可控硅进行整流，因此又称为I2脉冲整流工频机。通 过变压器的不同联结构成12相整流电路，如图3所示。 ， ， J - _ r_ 册 l L 上 30 r- j q- l-_ ， 图3典型12脉冲整流工频机示意图 6脉冲
4、和12脉冲工频机的详细技术分析可参见(大功率 UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别)。 高频机的定义与原理分析 高频机通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器 和旁路组成。IGBT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K到几十 KHZ，甚至高达上百KHZ，相对于50Hz工频，称之为高频 UPS。典型的高频机拓扑如图4所示。 高频UPS整流属于升压整流模式，其输出的电压一定比 输入线电压的峰峰值高，一般典型值为800V左右。电池是高 频U PS的重要部件，若其直接挂接母线，所需要的标配电池节 201009中国交通信息化129 WWW C
5、HlNAITS CN 传雷 图4高频UPS拓扑图 数达1167节，这样给实际应用带来极大的限制，因此一般高频 U PS会单独配置一个电池变换器。市电正常时，电池变换器把 800V的母线电压降压到电池组电压；市电故障或超限时，电池 变换器通过电池组把母线电压升压Naoov，从而实现电池的充 放电管理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出 相电压可以直接达到22OV，在输出端不再需要升压变压器。 工频机和高频机的性能对比 在高频U PS功率段向中大功率过渡的过程中，高频拓扑 UPS在使用过程中暴露出以下几个固有缺点，影响到UPS的 安全使用和运行。 零偏故障 某型号大容量三相高频UPS
6、拓扑如图5所示。 图5某型号四桥臂高频机拓扑 从图5可知，UPs主路输入是三相四线，A、B、C三相 和零线均通过IGBT整流，整流器为四桥臂变换器。此种变换 器存在零线在主路工作时不能断开这一先天缺陷。如果UPS 输出端接不平衡负载，当A、B、C三相闭合、零线断开并且 零点参考点突然消失时，将造成严重的U PS输出零偏故障， 进而导致U PS后端负载设备的损坏、输出闪断等重大故障。 在市电和发电机切换过程，如果A、B、C三相与零线同时中 断，此种拓扑的高频机因零线断开而必须转旁路工作，在特 130中国交通信息化201009 WWW CHfNAirS eN 定工况下(如电压过零点、非同步切换)可
7、能造成负载闪断 的重大故障。与之相比，工频机因整流器不需要零线参与工 作，在零线断开时，UPS仍可保持正常供电。 图6充电电压电流现场实测数据图 图7电流现场实测数据图 大功率工频UPS和高频UPS技术对比表 高频机 工频机 采用IGBT整流技术，根据统计数据， 采用可控硅整流技术，系统可靠 1 IGBT整流故障率远高于可控制硅整流 性高 输出有高次谐波，高频谐波耦合在零 线上，可能抬升零地电压。很难满足 输出配置隔离变压器，零地电压 2 IBM、HP等服务器厂家对零地电压小 增量为零，更可靠保证负载运行 于1V的场地需求 输出隔离变压器具有自身短路阻 逆变器直接挂接负载，抗负载冲击能力 抗以
8、及高频衰减隔离特性，使得 3 工频机具有很好的抗负载冲击能 弱，降低逆变器的可靠性 力，降低负载突变和短路对UPS 的影响 通过变压器的负载重新分配，提 4 逆变器直接带载，带不平衡负载能力弱 高了UPS带不平衡负载的能力 输出变压器具有3N次谐波电流的 5 负载直挂，带非线性负载的能力弱 隔离能力，带非线性负载的能力强 无输出隔离变压器，在UPS故障的情况 即使在UPS故障的情况下也不存 6 在输出直流电压的风险，负载更 下存在输出直流电压损坏负载的风险 加安全可靠 主路旁路N线必须相同，因此无法实现 可以实现主旁路不同输入源的配 7 置方案，满足高可靠性场地的配 主旁路不同源配置 电要求
9、某些厂家的高频机输入零线中断时， UPS无法正常工作；当市电和柴油发电 隔离变压器重新生成中心点， 8 机切换时，因零线短时“缺失”可能出 UPS输入零线中断时仍可正常 现“零偏”故障，造成输出闪断、负载 工作 掉电的重大故障 采用专用充电器，充电能力弱。只能满 电池直接挂接母线，在负载不足 足短时间(5一lo#钟)后备电池的充电能 满载时可将剩余的整流器容量用 9 力，长延时配置时电池充电能力不足， 于充电，特别适应中国客户长延 电池寿命严重缩短 时配置后备电池的需求 电池与逆变器之间增加了电压变换电 路，降低了电池放电时系统效率，同等 电池直接挂接母线，逆变效率 10 负载时需配置更多的电
10、池，并且降低了 高，节省电池的配置容量 系统可靠性 零地电压抬升和电池架带电问题 从图4和图5可以看到，大功率三相高频机中的零线引入 整流器并做为正负母线的中性点，这种结构不可避免地在零 线上造成整流器和逆变器高频谐波耦合，抬升了零地电压， 导致负载端零地电压也抬高，从而很难满足IBM、HP等服务 器厂家对零地电压小于lV的要求。 某型号高频UPS的电池变换器采用高频BuckBoost拓扑 结构，变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦 合了大量高频分量，现场实测数据如图6、图7所示。 从图6、图7中可以明显看到125KHz的高频分量，电池 正极与大地浮置电压有325V，电池架接地断开时
11、，电池架与 大地间有100多伏浮置电压，电池架与大地接通时，电池架 与大地漏电流高达110mA。该型号UPS在电池架未与大地短 接时，人体触摸到电池架会有明显被电击的感觉。这是因为 充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路，造成人体触 电。同时，此高频谐波严重干扰了外置UPS电池的单体电压 监控系统，导致电池电压监控测试仪工作不正常。 可靠性降低 晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新，大电流晶阐管 NEWSOFT 广州新软 智能交通改变未来 技术已非常成熟，具有抗电流冲击能力强、耐受高电压等优 点。80年代初问世的IGBT(绝缘栅双极晶体管)有显著的高 频控制性能，其开关频率可在几K至几百K H
12、 z2：间，是目前 高频UPS主要功率器件。但是，IGBT工作时有严格的电压要 求，导致电流工作区域、抗冲击能力有限，并且在可靠性方 面，IGBT一直比晶阐管差。根据大量的数据统计，采用晶阐 管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率，前者约为 后者的14。 大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素，而工频机通常 采用SCR整流器，高频机多采用IGBT整流器，因此工频机在可 靠性方面优于高频机。高频大功率U PS还有诸多缺点，如上表 所示。 结束语 不可否认，高频U P S有一些优点，大功率高频机有许 多缺点尚需进一步技术优化和升级。以可靠性第一为原则， 在机场、高速铁路、高速公路等重要服务
13、设施中选用大功率 UPS时，建议以工频机为首选。匝 (上接第1 28页) 图13 用户点击路灯开关按扭，系统会提示输入用户和密码， 如输入正确系统弹出如下界面，用户可以对单路路灯进行控 制(有权限的用户才可以进行控制和参数设置)。 应用分析 该系统通过在原有控制柜的基础上增IIP L C控制及电力监 控系统，并且提供远程接口。时间设置可以设置一天或几天， 一个月或几个月甚至一年。系统还增加了特殊日期开关灯时间 设置，可以预设置5天。这在节假日或特殊情况，如日食，暴 雨等天气，提前设置开关等时间。设置完成后，参数传送到每 个PLC，PLC控制器会自动根据设置好的时间对路灯进行自动控 制，即使与上位机通信中断也会自动运行。同时上位机不停地 对每个PL C进行校时，保证时间的准确性。电力监控装置采用 电力载波的原理进行电缆电线被盗的判断，电力监控终端与主 机之间不停传输载波数字型号，进行握手，如果线路断掉，监 控中心马上会声音报警，直到监控人员确认。电力监控供电采 用充电池与市电结合的方式，当停电时，采用电池供电。网络 组成采用485总线，计算机通过串口对每个设备按照地址进行轮 询通信。节约了传输线路成本。匝 201009中国交通信息化131 WWW CHjNATS CN
