大功率UPS工频机和高频机

1 工频机和高频机的定义及原理分析

UPS通常分为工频机和高频机两种。工频机由晶闸管(SCR)整流器、IGBT逆变器、旁路和工频隔离变压器组成。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。

主路三相交流输入经过换相电感接到由三个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达到恒定的220V电压,就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。同时,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,明显减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。

图1 典型工频UPS拓扑

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在300～500V之间,可直接挂接三十几节电池,不需要另加电池充电器。

按整流器晶闸管数量的不同,工频机通常分为6脉波和12脉波两种类型。6脉波指以6个晶闸管组成的全桥整流,由于有6个开关脉冲对6个晶闸管分别控制,所以叫6脉波整流。6脉波整流拓扑如图2所示。

图2 典型6脉波拓扑

12脉波是指在原有6脉波整流的基础上,在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉波整流器,使直流母线由12个晶闸管整流完成,因此又称为12脉波整流。

图3所示的两个三相整流电路就是通过变压器的不同连接构成12相整流电路。

图3 典型12脉波整流器示意图

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到几十千赫之间,有时甚至高达上百千赫,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。

图4 高频UPS拓扑图

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值高,一般典型值为800V左右,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数达到67节,这样就给实际应用带来很大的限制。因此一般高频UPS会单独配置一个电池变换器,在市电正常的时候,电池变换器把800V的母线电压降压到电池组电压值;在市电故障或超限时,电池变换器则会把电池组电压升压到800V的母线电压,从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不需要升压变压器了,但是没有隔离效果。

2 工频机和高频机的性能对比

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产品也逐步高频化。高频UPS具有功率密度大、体积小、重量轻的特点,但在高频UPS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一些固有缺点,并影响到UPS的安全使用和运行。

(1)零偏故障

某型号大容量三相高频UPS拓扑如图5所示。

图5 某型号四桥臂高频机拓扑

从图中可知,UPS主路输入是三相四线(相线+零线),整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷:零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合,零线断开时,如果UPS输出端接不平衡负载,零点参考点突然消失,会造成严重的UPS输出零偏故障,进而导致UPS后端负载设备的损坏、输出闪断等重大故障。如果三个相线和零线同时中断,这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程,此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作,在特定工况下(电压过零点,非同步切换时)可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作,在零线断开时,UPS可以保持正常供电。

(2)零地电压抬升和电池架带电问题

从图4和图5可以看到,大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点,此种结构不可避免地造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上,抬升零地电压,造成负载端零地电压抬高,很难满足IBM、HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。

某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost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大量高频分量,在现场实测数据如图6所示。

图6 用仪表测得的充电电压和电流高频分量

可以明显看到频率为12.5kHz的高频分量,实测电池正极与大地浮置电压有325V,断开电池架接地,电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地,电池架与大地漏电流高达0.11A。按照行业标准(GB1387