在電的領(lǐng)域內(nèi)命名的有線電和無線電,高壓電器和低壓電器,電壓源和電流源,交流電和直流電,硬件和軟件,等等的命名都有其唯一性。工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS的區(qū)分也一樣,顧名思義,那就是以頻率不同為根據(jù)的。就應(yīng)該從頻率的角度去看,而不是另辟途徑。
因?yàn)閁PS的輸入和輸出都是50Hz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)電壓,眾所周知這沒有什么好討論的,所以這里所討論的都是UPS內(nèi)部的工作情況。在當(dāng)代工頻機(jī)UPS中,輸出變壓器并不是該機(jī)所必需的配套裝置。在2008年上海國際電源論壇會議上,與會專家們也一致認(rèn)為“變壓器今后并不是電子設(shè)備的必然配套裝置”,電子變壓器會將其替代。但在上個世紀(jì)70至80年代,由于技術(shù)和元器件的水平還沒達(dá)到一定程度,UPS的主要器件是還靠可控硅,這是一種半控器件,即開通是可控的,而關(guān)斷是不可控的,只有等到電壓過零點(diǎn)才可關(guān)斷。因此其工作頻率受市電頻率約束,只能與市電頻率同步工作。而且當(dāng)時的逆變器輸出也只能是單方波。可惜的是當(dāng)時負(fù)載設(shè)備電源的輸入幾乎都有變壓器,而UPS輸出的方波電壓平頂部分會導(dǎo)致變壓器鐵心飽和,從而造成故障。所以負(fù)載對UPS的輸出要求必須是正弦波。這樣一來,從方波中濾出正弦波就需要龐大的LC濾波器,不但耗材驚人,噪聲煩人,而且效率也大幅度降低,尤其是中大功率更是如此。
圖1 四階梯波輸出的UPS電路原理方框圖
為此人們又為大功率設(shè)計(jì)出一種接近於正弦波的階梯波,以減小LC濾波器的尺寸。但又出現(xiàn)了新的問題:一個階梯就是一套逆變器,比如1972年美國總統(tǒng)尼克松訪華時帶來的UPS就是四套逆變器疊加而成的四階梯波結(jié)構(gòu),然后再由濾波器濾出正弦波電壓,如圖1所示。從圖中可以看出,四階梯波的構(gòu)成就需要變壓器將其串聯(lián)起來。這里的變壓器一般是不可少的。小功率由于造價太高,一般還是由方波濾波后輸出。
上世紀(jì)70年代美國庫伯博士實(shí)驗(yàn)成功了一種高頻脈寬調(diào)制(PWM)電路,使原來龐大的線性電源起了革命性的變化。可惜當(dāng)時晶體三極管只是低壓小功率水平,無法被UPS采用。一直到1980年前后高頻技術(shù)才被陸續(xù)應(yīng)用到UPS逆變器上,這時使用大功率高壓晶體管和場效應(yīng)管的逆變器調(diào)制頻率可以做到50Hz工業(yè)頻率的數(shù)百倍,因此LC濾波器的體積也有了本質(zhì)的變化,可以做的非常小。圖2示出了脈寬調(diào)制輸出被檢波出正弦波的情況。
圖2 當(dāng)代一般UPS的PWM輸出過程
從該圖中可以看出,其輸出波形已被濾波器濾出正弦波電壓,如果電壓值合適的話就可以直接給負(fù)載使用。1998年至2001年期間,我國進(jìn)口了一批荷蘭Victron品牌的UPS,就是圖2的結(jié)構(gòu),沒有輸出變壓器。雖然由于采用了傳統(tǒng)的全橋結(jié)構(gòu)逆變器,使得兩條輸出線都是火線,但并不妨礙負(fù)載的正常使用,在很多用戶機(jī)器上的實(shí)際運(yùn)行中證明了這一點(diǎn)。遺憾的是:當(dāng)時有的計(jì)算機(jī)廠家不知出于什么目的,竟提出了UPS輸出端接地的要求,否則就不給負(fù)載計(jì)算機(jī)開機(jī)!暫不談這種要求是否值得商榷,但為了能給用戶開機(jī),也只好將UPS輸出的一端接地。但這樣一來,接地以后的UPS一啟動,逆變器就炸機(jī)。無奈只好在UPS輸出端加了一個隔離變壓器才算穩(wěn)住了局面。換言之,如果UPS輸出一端不接地,不用變壓器也可為計(jì)算機(jī)正常供電,這是其一。其二,因?yàn)楫?dāng)時計(jì)算機(jī)畢竟使用的都是220V,一根火線和一根零線就足夠了,和地線并沒有什么關(guān)系…
80年代前后由于絕緣柵晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為UPS技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件,在脈寬調(diào)制波形和頻率基本不做改變的情況下,IGBT就可以順利地取代晶體管和場效應(yīng)管。但鑒于以前的接地要求,這個變壓器就這樣很自然地沿用下來了,當(dāng)然這也和電池電壓不符合交流電輸出值的要求,需要變壓也有關(guān)系。
(a)工頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路 (b)高頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路
圖3 兩種UPS輸出正弦波時的電路結(jié)構(gòu)
1980年中后期,UPS的逆變器推出了半橋結(jié)構(gòu)電路,和多數(shù)工頻機(jī)UPS采用的全橋逆變器相比,它的兩條輸出線就是一條火線和一條零線。這樣一來,在滿足負(fù)載輸入接地的條件下就可以不用變壓器隔離了,如圖3的(a)和(b)所示。如果工頻機(jī)UPS的逆變器也采用半橋結(jié)構(gòu),也可省去了這個輸出變壓器。目前已有幾個品牌的工頻機(jī)UPS采用了半橋逆變器結(jié)構(gòu)電路而取消了輸出隔離變壓器。
從上面的討論可以看出,所謂輸出隔離變壓器并不是當(dāng)代工頻機(jī)UPS必然配套的裝置,更不是工頻機(jī)UPS的什么“法寶”,而是可有可無:用半橋逆變器就可以不要輸出變壓器,用全橋逆變器,如果輸出值合適且不要求接地時也可不要輸出變壓器。目前已有的工頻機(jī)型UPS就取消了輸出變壓器。至于還有的工頻機(jī)UPS生產(chǎn)廠家繼續(xù)仍保留此裝置,那是制造廠家的考慮。并不表示輸出變壓器就是UPS的必配裝置。比如也有的高頻機(jī)型UPS的逆變器仍采用全橋電路結(jié)構(gòu),后面也加了輸出變壓器,更有的在半橋逆變器后面又加了輸出變壓器的情況,但整流器和逆變器仍然采用了IGBT,其數(shù)千赫茲的工作頻率也沒變,所以仍然屬于高頻機(jī)范疇。既然輸出變壓器是當(dāng)代工頻機(jī)UPS的身外之物,再用它作為區(qū)分兩種類型UPS的標(biāo)志就不是充分的理由了。就像用是否穿高跟鞋作為區(qū)分男性和女性的的條件一樣缺乏唯一性。
當(dāng)前電子技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字時代,作為電子技術(shù)的能源也應(yīng)該與其適應(yīng)。高頻機(jī)UPS也已全部采用了數(shù)字技術(shù),而工頻機(jī)UPS有不少還滯留在數(shù)字與模擬相結(jié)合的時代。真正高頻機(jī)UPS的工作頻率是20kHz以上。因?yàn)槿硕渎牭靡姷念l率是16Hz~20kHz,人的耳朵對20kHz和以上頻率的聲音就相應(yīng)不了啦,聽不見了。對開關(guān)電源來說,工作頻率越高損耗就越大,散熱就越困難。因此目前20kHz還是一道坎,UPS單機(jī)功率做到100kVA以上還有些困難。但100kVA以上功率的UPS也不一定非工作在20kHz不可,比如目前已有的做到了15kHz,只是有些聲音罷了。
圖4 兩種負(fù)載使市電電壓波形呈現(xiàn)不同結(jié)果的情況
但電路結(jié)構(gòu)仍可以采用IGBT整流和半橋逆變結(jié)構(gòu),高頻機(jī)UPS的其它特點(diǎn)仍然保留下來,照樣是一個好的方案。即使不工作在20kHz,比如一般是5~15kHz,仍然是50Hz工頻的100~300倍,相對而言難道這就是高頻了。因此為了區(qū)別于20kHz,就稱為“高頻機(jī)型”。而工頻機(jī)UPS原來是整流器和逆變器都工作在50Hz的工頻,但后來采用IGBT后也工作在50Hz工頻的一百倍甚至200倍以上,相比之下這也算是高頻了。但可惜的是它的整流器可控硅器件仍工作在50Hz的工頻,也就是說這種UPS的一只腳跨進(jìn)了高頻的門坎,而另一只腳還停留在工頻的原地,這既不能算作“高頻機(jī)型”UPS,也不能全算工頻機(jī),為了區(qū)別“高頻機(jī)型”UPS,就暫稱為“工頻機(jī)型”UPS。由此可見,只要“工頻機(jī)型”UPS再向前跨上一步就是“高頻機(jī)型”UPS了。換言之,只要“工頻機(jī)型”UPS的輸入整流器將半控的可控硅器件換成全控的IGBT就可以工作在高頻了。而且這樣一來也給用戶帶來了莫大的好處,尤其對大功率來說,整流器和逆變器都是上百公斤的大家伙,作為備件而言實(shí)在是令人卻步。而整流器改用IGBT后,就可和逆變器共用一套備件。
而且取消UPS中的輸出電磁變壓器,代之以電子變壓器,效率可以提高幾個百分點(diǎn),從而也提高了設(shè)備本身的可靠性。因?yàn)樾实奶岣咭馕吨牡慕档停瑥亩档土藱C(jī)內(nèi)溫度。因?yàn)闄C(jī)器在高溫下容易出故障,根據(jù)阿雷紐斯定律:溫度每升高10°C,電子元器件(包括電池)的壽命就減半。所以提高效率就意味著提高了可靠性。另一方面,可控硅整流器電路還是破壞輸入市電正弦電壓波形的罪魁禍?zhǔn)祝翰徽搹碾娋W(wǎng)來的電壓波形多么好,到了六脈沖整流UPS前面就被破壞了,如圖4(b)所示。將輸入功率因數(shù)降低到0.8左右。而上述電壓加到線性負(fù)載上的時侯,線性負(fù)載的輸入功率因數(shù)就是1,如圖4(a)所示。這就說明六脈沖整流輸入的UPS是非線性負(fù)載,會使市電輸入電壓波形失真。有的誤認(rèn)為這種失真是市電輸入本身的問題,此論不敢茍同。為什么同樣的市電電壓波形帶電爐子之類的線性負(fù)載時就不失真,而帶六脈沖整流器UPS時就失真了呢?這能賴電網(wǎng)嗎?不言而喻,這就是可控硅整流器破壞的結(jié)果。0.8的輸入功率因數(shù)是不符合國家對負(fù)載端輸入功率因數(shù)0.9的要求的。為了將輸入功率因數(shù)提高到0.95以上,就必須附加許多環(huán)節(jié)而構(gòu)成十二脈沖整流。比如某品牌300kVA的UPS, 六脈沖整流時的重量是1.6噸,而構(gòu)成十二脈沖整流后的重量就一下子增加到2.2噸,增加了600公斤!其整機(jī)效率也很難達(dá)到90%。
(a)某品牌300kVA的高頻機(jī)型UPS外形圖 (b)某品牌300kVA的工頻機(jī)型UPS外形圖
圖5 300kVA的高頻機(jī)型UPS和工頻機(jī)型UPS的外形
而某品牌同樣是300kVA的高頻機(jī)型UPS,其總重量才0.83噸,而且輸入功率因數(shù)在0.99以上,并且其整機(jī)效率也可達(dá)95%以上。這兩種UPS的外形圖如圖5(a)和(b)所示。又比如同樣是300kW的UPS,高頻機(jī)型UPS就比工頻機(jī)型UPS每年節(jié)約150,000度電,這在當(dāng)今已將節(jié)能減排作為國策的時代又是多么可貴的貢獻(xiàn)啊!
據(jù)初略估計(jì),目前大約有200萬臺服務(wù)器在24h運(yùn)行,以每臺平均功耗400W計(jì),就是800,000kW,需2000臺400kVA(按kVA= kW計(jì))UPS,在輸入功率因數(shù)³0.95的情況下,某400kVA工頻機(jī) UPS重約2.3噸,而某高頻機(jī)型UPS約重900kg,每臺相差約1.4噸,2000臺工頻機(jī) UPS就比高頻機(jī)型UPS多出2800噸器材!而且這些器材都是貴重物品,比如接插件和開關(guān)觸點(diǎn)上的鍍金和鍍銀,半導(dǎo)體器件的稀土元素硅和鍺,變壓器的高純度銅和矽鋼片,開關(guān)用的特種不銹鋼材,電纜用的銅和鋁,電纜護(hù)套用的橡膠和高級塑料,機(jī)架用的高標(biāo)號的鋼…哪一種都不是輕易獲得的。如果將這些節(jié)約下來的器材再移作它用,又會創(chuàng)造多么大的價值!