大功率UPS工频机和高频机性能对比
UPS工频机和高频机的区别
UPS工频机和高频机的区别1.在结构上工频机设有内置逆变器输出隔离变压器,UPS输出与负载是隔离的.高频机没有此变压器,逆变器模块直接与负载连接.1.1逆变器部分的区别:工频机的逆变器采用的是全桥式结构(四个逆变器),逆变器工作时,其中一组桥臂的驱动频率是50HZ(即工频),配有输出变压器.高频机的逆变器采用的是半桥式结构(两个逆变器),逆变器工作时,逆变器都是由PWM高频信号驱动,一般不配输出变压器,而是用电感线圈代替.相比较而言,工频机抗干扰能力强,过载容量大.1.2整流器部分的区别:工频机整流部分采用传统的晶闸管或二极管桥式整流,直流总线电压为310V左右,在整流部分前加入输入变压器或者大容量的电感线圈滤波.高频机整流部分采用含PFC电路的升压整流电路,直流总线电压为+410V和410V.高频机采用PFC电路提高了输入功率因数,降低了输入干扰,但控制电路比工频机复杂,可靠性低.相反工频机为了降低输入干扰,采用了增加硬件的办法,可靠性高,但是成本也高,体积大.1.3 DC/DC(即电池到直流总线电路)部分的区别:工频机DC/DC采用一个晶闸管或二极管来控制电池正极与直流总线的通断;高频机DC/DC采用BOOST开关电源电路来使电池电压转换为+410V和410V的直流总线电压工频机线路简单,只有一个晶闸管和二极管的压降(相当于电池直接连接到直流总线),电池能耗少;相反高频机线路复杂,需要在电池和直流总线之间增加高频开关电路,电池能量损耗大.2.在性能上:2.1工频机有隔离直流功能:此变压器能有效将逆变器输出的直流分量与负载隔离,很好保护负载的安全,特别对于开关类以及感性类负载时很有必要的.而高频机没有:由于没有此变压器,当UPS逆变器中点电压发生飘移时,逆变器输出的直流分量直接送给负载,对于开关类及感性类负载造成短路烧毁负载及UPS的逆变器模块.特别当UPS IGBT故障击穿时其直流母线电压直接加在负载上是非常危险的.2.2工频机有抗冲击的能力:由于变压器属于磁—电储能器件.当负载发生阶跃突变时,动态响应性能好,即抗冲击能力强.而高频机抗冲击能力弱:没有储能器件缓冲,其输出特性较软,无法抗拒负载冲击.2.3工频机纯净输出正弦波:变压器属于感性器件,与输出滤波电容组成LC低通道滤波电路,净化了UPS输出.高频机由于逆变调制频率较高,UPS输出的谐波分量较大,易造成电缆及设备发热老化.2.4工频机有效抑制零地电压:由于变压器的隔离作用,能有效抑制零地电压,保证网络数据的安全.高频机:无有效一直零地电压的能力.2.5工频机为工业机型:工频机在设计上属于工业类机型,能适应较恶劣电源环境和使用环境.高频机从设计上讲是最求低成本,其可靠性较差,应在较好的环境中使用.2.6工频机的缺点:较高频机重,由于变压器使用有色金属制造,成本比高频机高.高频机优点:重量较轻,体积小.省去了变压器,降低了制造成本.总结:工频机控制电路简洁高效,可靠性高,单体积大,重量大,噪音偏高,价格高.高频机电路稍显复杂,可靠性比工频机低,单输入功率因数高(省电),题极小,重量轻,噪音小,价格便宜.。
大功率UPS工频机和高频机性能对比
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图１ 典 型 工 频 ＵＰ 拓 扑 Ｓ
主路三相交流输入经过换相 电感接到三个ＳＣＲ 臂组成 桥 的整流器后 ，变换成直 流电压 。由于ＳＣＲ 于半控器件 ，控 属 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
电压 比输入 电压低 ，若 要使 输出相 电压能够得到恒定的２ ０ ２Ｖ 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３ ０ ０ Ｖ一５ ０ ０ Ｖ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 脉冲工频 机和 １脉冲工频机两种类型。６ ２ 脉冲工频机指 由６ 可控硅 （ 个 晶
由于 ＳＣＲ整 流器 属 于 降压 整 流 ，所 以经 逆变 输 出 的交 流
图 ３ 典 型 １脉 冲 整 流 工 频 机 示 意 图 ２
６ 脉冲和 １ 脉 冲工频机 的详 细技术分析 可参见 （ ２ （ 大功率 ＵＰ 脉冲与 １脉冲可控 硅整 流器原理与区别） Ｓ６ ２ ）。
高 频 机 的定 义 与 原 理 分 析
图６充 电电压 电流现场实测数据图
数达￣ ６节 ，这样给实际应用带来极大的限制，因此一般高频 １７ １
ＵＰ 会单独配置一个 电池变换器。市 电正常时 ，电池变换器把 Ｓ
高频UPS及工频UPS对比
方案
优点
缺点
高频UPS
（1）占地面积小；
（2）重量轻；
（3）损耗低；
（4）价格低；
（5）各个功率段，各厂家均能生产，属于市场主流产品。
（1）采用IGBT整流技术，由于耐压低，可靠性相比工频机低（但新一代UPS采用三电平技术此问题已决绝）；
（2）逆变器直接挂负载，抗负载冲击能力弱，降低了逆变器的可靠性。
工频UPS
（1）采用可控硅整流技术，可靠性高；
（2）输出配升压变压器，抗冲击能力强，降低了负载突变和短路对UPS的影响。
（1）占地面积大。
（2）重量重；
（3）效率低；
（4）大部分厂家仅生产小功率工频UPS，且部分厂家已经不再生产工频UPS。
UPS系统由于涉及学术性很强的专业技术问题，建议用户咨询UPS业界的主流源自备生产厂商，获取进一步的权威解释。
工频UPS和高频UPS介绍
工频UPS
输出或输入、输出均配隔离变压器 较强 较强 较强 相对较好 可达0.92 85%~95% 较重
是否配隔离变压器 过载能力 抗输入浪涌能力 输出抗冲击、短路能力 零地电压差 输入功率因数 整机效率 重量
体积 功率器件容量
UPS AVR Inverter
较小 小
Surge Protection
– 只要你用电 就要PCM –
PCM 集团 不间断电源（UPS）系统基础知识
UPS
AVR
Inverter
Surge Protection
2
POWERCOM Group
Global Global Leader Leader in in Power Power Protection Protection
UPS AVR Inverter SurgeOM Group
Global Global Leader Leader in in Power Power Protection Protection
3.工频UPS和高频UPS的性能比较
指 标 高频UPS
否 一般 一般 一般 有高频分量 可达0.99 85%~97% 较轻
POWERCOM Group
Global Global Leader Leader in in Power Power Protection Protection
UPS
AVR
Inverter
Surge Protection
POWERCOM Group
Global Global Leader Leader in in Power Power Protection Protection
较大 大
6
POWERCOM Group
工频UPS与高频UPS的区别和优势
工频UPS与高频UPS的区别和优势1、工频UPS工作原理存在的优越性1.1 工频UPS采用数字信号处理技术确保测量数据快速、灵活，从而产生快速的控制变量，确保对充电器及逆变的实时控制。
1.2 工频UPS比高频UPS具有更强大的短路保护能力及更强大的过载能力。
1.3 由于中国市电环境的极不稳定和易受到一些外部情况的干扰，所以对短路保护能力及过载能力的要求也更高。
采用工频UPS将极大地提高负载设备的安全性与稳定性。
2、工频UPS硬件配置存在的优越性2.1 从技术上考虑，工频UPS比高频UPS多增加输出变压器(1) 工频UPS独有标配的输出变压器，使电流隔离免受输入干扰。
在计算机机房环境中，有些外部设备存在大的干扰输入，这些干扰容易造成电流波动，影响负载的安全。
因此，电流隔离对于这些领域尤为重要。
(2) 高频UPS为了降低产品成本则不含这些组件，相应的电流稳定性就不如工频UPS。
2.2 工频UPS设备零部件设计的优越性(1) 工频UPS的零部件可根据客户的规格和需要设计，每个零部件都能承受较高的额定功率且具有较长的寿命，旨在确保用户设备操作过程的安全与持久。
(2) 高频UPS在设计上旨在降低成本，所以其零部件仅符合最低的额定功率要求。
2.3 工频UPS设备寿命的优越性中大功率工频UPS单机系统的平均无故障时间为20万小时，并机系统将超过50万小时，而高频UPS的平均无故障时间均不超过5万小时。
(1) 根据工频UPS销售经验，许多单机系统都能正常工作15年以上的时间。
(2) 工频UPS的设计方向就是延长系统持续工作的寿命，以符合需要长寿命保障的一些应用领域。
所以，即便是工频UPS早期的投入较高频UPS大，但在15年以上的时间内都无需要更换设备，而且备品备件在停产后的后备储存期也相对的比高频UPS长很多。
(3) 高频UPS设计寿命仅为3～5年，5年后大部分设备就需要更换。
而且备品备件的储备也极其有限。
2.4 方便的前端维护工频UPS系统自行维护时间很长，而高频UPS系统自行维护时间较短。
UPS高频机与工频机的性能比较
高频机与工频机性能比较一：工频变压器与高频变压器的架构区别传统老式结构UPS的基本结构(工频机)如下,基本结构：可控硅整流+电池直接直流母线+ IGBT逆变器+升压变压器目前比较流行的UPS结构由原来的老式结构逐渐转向更为合理的新型结构,新型全IGBT UPS结构(高频机)如下，基本结构：不控整流+DC/DC倍压环节+独立充电器+逆变器二：工频机与高频机的性能比较UPS从工频机向高频机发展是不可逆转的历史必然：随着高频机硬件电路设计的更加完善，IGBT、MOSFET功率元件技术更加成熟，DSP 数字技术的不断深入，可靠性大大提高，高频机的优越性日益明显体现出来，促成了新一代UPS的主流结构由原来的工频机向高频机转变，正如当年可控硅逆变器被大功率晶体管GTR取代，之后又被IGBT逆变器取代一样。
其主要优越性如下：A:效率高：因高频机的功率器件全部工作在高频开关状态，所以能量的损耗非常小，其效率可以高达80％～90％；工频机从其结构中可以看出，从整流（从交流变为直流）到逆变（在从直流变为交流）的过程中，每个环节都是降压环节，在此种结构的UPS中，必须在输出测加入变压器，将逆变输出的较低恒定电压升致合理的输出范围，最终提供了恒定的220/380V输出，其结果必定导致其整体效率比较低，只有60％～70％。
B:功率密度高：因高频机的功率器件全部工作在高频开关状态，能量的损耗非常小，避免使用大的散热片，加之铁氧体等新型磁性元件的应用，UPS的体积小、重量轻，功率密度可以高达30W/in3。
例如我司的3C3-20KS净重仅70Kg，体积：（W×H×D）mm＝380 ×685 ×1030，而某品牌的低频机净重高达330Kg，体积：（W×H×D）mm＝700 ×680 ×1330。
C:输入功率因素高，输入电流谐波小，对电网的污染小：高频机具有功率因素修正电路（PFC电路），输入功率因素接近于1，输入电流谐波小于10％，对电网的污染非常小。
UPS行业工频与高频区别
单击此处编辑母版标题样式第二级第三级UPS工频与高频区别第四级第五级厦门科华恒盛股份有限公司多年的运行实践表明：“高频机”型UPS的故障率总是高于“工频机”型UPS的故障率。
为此，我们有必要探讨其真正的原因何在？一、工频型UPS工作模式对于工频机型UPS而言，它采用的是可控硅整流器和IGBT逆变器+内置隔离变压器的设计方案，它通过可控硅型的整流滤波器将输入的380Vac交流电源变换成400Vdc的直流高压，并在此基础上，再经由IGBT逆变器+输出隔离变压器所组成的调控电路，向外输出220Vac逆变器电源，在这里，输入电源的N线是与UPS中的整流器和逆变器的控制电路处于完全的“电隔离”状态。
这就意味着：在这种工频机型UPS的运行中，产生于UPS内部的任何脉宽调制型的干扰均不会串入到UPS供电系统的N线上。
与此同时，可能来自于供电系统的N线上任何干扰也不会影响UPS的正常运行。
一、工频型UPS和高频型UPS工作模式图一，工频机与高频机器工作原理图1中显示的是“工频机”型UPS和“高频机”型UPS的控制框图。
要特别说明的是UPS近几十年的运行经验表明，不仅可控硅整流器本身的可靠性很高，而且带内置隔离变压器的工频型UPS，还显示出它具有抗高频干扰能力强、抗过载能力强、能有效降低零地电压、高可靠性的明显优势。
对于它的输入电谐波含量的THDI 值偏大的弱点，我们可以通过采用如图2a所示的12脉冲整流图1高频机与工频机“领地电压”的对比技术的方法予以克服，从而使UPS输入电流的谐波含量THDI<4%。
对于高频机型UPS而言，它采用的是升压型(boost)的脉宽调制IGBT整流器和IGBT逆变器设计方案。
在这里，通过IGBT整流器将输入380Vac电源变换成±400Vdc的直流高压(直流电压的绝对值=800Vdc)，并在此基础上，经IGBT逆变器向外输出220Vac的逆变器电源。
采用IGBT整流器设计方案所带来主要好处有：一、高频型UPS优点(1)改善了UPS的输入谐波特性：使得UPS的输入功率因数PF>0.99，输入电流的谐波含量的THDI<3%;(2)有利于降低成本：由于它可以直接利用从“倍压型”IGBT整流器所输出的±400Vdc直流高压电源来确保它的IGBT逆变器，能向外输出幅值为220Vac的交流电源，因此，可“省掉”逆变器的输出隔离变压器。
UPS工频和高频的区别
工频机和高频机的区别1、UPS工作原理存在的优越性①工频UPS，用数字信号处理技术确保测量数据快速、灵活，从而产生快速的控制变量，确保对充电器及逆变的实时控制。
②工频UPS比高频UPS具有更强大的短路保护能力及更强大的过载能力。
③由于中国市电环境的极不稳定和易受到一些外部情况的干扰，所以对短路能力及过载能力的要求也更高。
采用工频UPS，将极大地提高负载设备的安全性与稳定性。
2、工频UPS硬件配置存在的优越性⑴从技术上，工频UPS比高频UPS多增加了输入和输出变压器①工频UPS独有标配的输入/输出变压器，使电流隔离免受输入干扰。
在工业环境中，有些外部设备是大的干扰输入，如泵、发动机等等。
这些干扰容易造成电流波动，影响负载的安全，因此，电流隔离对于这领域尤为重要。
②高频UPS为了降低产品成本则不含这些组件，相应的电流稳定性就不如工频UPS。
⑵工频UPS设备零部件设计的优越性①工频UPS的零部件可根据客户的规格和需要设计，每个零部件都能承受较高的额定功率且具有较长的寿命，旨在确保用户设备操作过程的安全与持久。
②高频UPS在设计上旨在降低成本，所以其零部件仅符合最低的额定功率要求。
⑶对工业的苛刻环境有极强的适应性工频UPS主要设计在苛刻的工业环境下使用，防护等级达到了IP54，而高频UPS不具备这种适应能力。
①工频UPS设计的定位就是在工业环境中工作，如石化、电力、交通运输行业等等。
应用于各种苛刻的工业室外环境，防止外部输入干扰，如高温、高湿、粉尘、震动、腐蚀、爆炸危险型气体及一些无法预测的环境。
②工频UPS可适应环境0～55℃，相对湿度0～95％，防尘、防雨水。
诸如中国海洋石油公司，中国石化公司这样规模的大公司选择使用的工频UPS产品，就是因为它具备高可靠的苛刻工业室外环境适应能力。
③高频UPS不是专为工业环境设计，所以只能安装在清洁的、较安全的、可预测的环境中。
如安装于空调房、低温、无尘等环境。
⑷工频UPS设备寿命的优越性工频UPS设计寿命超过20年，而高频UPS设计寿命为3～5年。
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∙大功率UPS工频机和高频机性能对比
∙2009-3-16 10:43:57 作者：艾默生公司温顺理杨波来源：UPS应用访问：1254 评
论：0
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∙本文通过大容量工频UPS和高频UPS进行原理分析、拓扑对比、实测数据分析和性能对比，全面总结了大功率工频UPS和高频UPS的优缺点和选配原则。
一、工频机和高频机的定义和原理分析
UPS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拓扑如下：
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。
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~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。
按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。
6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
6脉冲整流拓扑如下：
图二、典型6脉冲拓扑
12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
图三：典型12脉冲整流器示意图
6脉冲和12脉冲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下：
图2：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，市电正常的时候电池变换器把母线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，逆变器之后就不再需要升压变压器。
二、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产品正逐步高频化，高频UPS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推进的过程中。
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拓扑如下：
图3:某型号四桥臂高频机拓扑
从图3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，当零点参考点突然消失，将造成严重的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A、B、C、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2和图3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，此种结构不可避免的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，在现场实测数据如下图：
可以明显看到频率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110mA。
按照行业标准（GB13870.1-93 《电流通过人体的效应》），50mA的电流就可以致人死亡。
该型号UPS在电池架未与大地短接时，人体触摸到电池架有明显被电击的感觉。
原因是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的UPS电池单体电压监控系统，使电池电压监控测试仪无法正常工作。
3）可靠性降低。
自1947年底首个晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器（SCR，现称晶闸管）在晶体管渐趋成熟的基础上问世，至今晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新，耐受高电压，大电流晶阐管技术已非常成熟，其抗电流冲击能力非常强。
晶阐管是半控器件，不会出现直通，误触发等故障。
相比而言，80年代初问世的IGBT（绝缘栅双极晶体管）有许多优点，其开关频率可在几K至几百KHz之间，是目前高频UPS主要功率器件。
但是，IGBT工作时有严格的电压，电流工作区域，抗冲击能力有限。
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，前者大约为后者的1/4。
工频机通常采用SCR整流器，而高频机多采用IGBT整流器。
因此，工频机在可靠性方面优于高频机。
而大功率UPS可靠性是用户关注的第一要素。
目前市面上销售的多款国际知名品牌工频机产品在用户端都有很好的口碑。
并通过了长时间和复杂电网的实际验证。
高频大功率UPS还有诸多缺点，详见附件：
不可否认，高频UPS有一些优点，但目前就技术发展和成熟度而言，大功率高频机有许多缺点还需要进一步技术优化和升级。
某些厂商推出的大功率高频UPS 仍在试用阶段。
在可靠性第一原则下，使用在重要场合的大功率UPS，仍然以工频机为首选。