1.1工頻機UPS與高頻機UPS的含義

　　當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心供電領(lǐng)域中是一個工頻機UPS逐步引退和高頻機UPS逐漸登上歷史舞臺的時代。從歷史的發(fā)展來看，在新舊交替過程中必然有一場“戰(zhàn)爭”或爭論，只有通過“戰(zhàn)爭”或爭論才能達到代替落后的目的。這樣說也許有的人會說：難道工頻機UPS就是那么落后嗎？

　　這要從歷史發(fā)展的眼光來看，在上世紀(jì)90年代前，工頻機UPS是的、是那個時代的主流產(chǎn)品，也曾為IT技術(shù)的發(fā)展立下了汗馬功勞。但任何事物都不是十全十美的，這就意味著它的壽命不是永恒的。隨著時代的發(fā)展和時代對其功能的新要求的不斷增加，原來的東西必須做適合時代的更改和完善，一旦跟不上時代的腳步，必然被時代所拋棄，這就是歷史發(fā)展的必然規(guī)律。當(dāng)前的工頻機UPS就正處于這樣一個時期，必須跟上時代的發(fā)展步伐。否則，就會被淘汰。

　　高頻機UPS是相對于傳統(tǒng)的工頻機UPS而言，在沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況下用這樣稱呼以示區(qū)別。所謂工頻機UPS是指以前傳統(tǒng)的輸入輸出電路都工作在50Hz的工業(yè)頻率，由于新器件的出現(xiàn)，其逆變器已是“高頻”脈寬調(diào)制方式，盡管如此仍未脫出原來電路的結(jié)構(gòu)方式：可控硅整流和全橋逆變器+輸出變壓器，所以仍屬于工頻機UPS的范疇。

　　所謂高頻機UPS是指其輸入和輸出電路都工作在遠遠高于50Hz的高頻，真正的高頻機UPS含義是輸入和輸出電路都工作在20kHz或以上的高頻，其結(jié)構(gòu)特點是輸入電路擯棄了可控硅整流器而代之以IGBT，逆變器由全橋而改為半橋結(jié)構(gòu)，省去了輸出變壓器。高頻機UPS的工作頻率為什么以 20kHz為界，這是因為20kHz已超出人的聽覺范圍，是一種“無聲”性的產(chǎn)品。由于目前的一些技術(shù)原因，工作在20kHz或以上的高頻機UPS容量還只能做到100kVA以下，所以大容量的高頻機UPS都采用的是高頻機UPS的電路結(jié)構(gòu)，除了頻率不同之外，其他都一樣;其效果除了一個有聲音一個沒聲音之外，其他指標(biāo)也都一樣。

　　1.2從旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式UPS到靜止變換式高頻機UPS的發(fā)展

　　UPS是伴隨著計算機的問世而出現(xiàn)的。早期的計算機不像現(xiàn)在使用這樣方便，一個數(shù)據(jù)的輸入要經(jīng)過幾道手續(xù)：首先要將數(shù)據(jù)分解成0、1的數(shù)碼，接著要用穿孔機將數(shù)碼以打孔的形式穿在紙帶上;然后將紙帶放到光電機上將數(shù)據(jù)輸入到計算機里。由于這些輸入過程都是機械的運轉(zhuǎn)，不但手續(xù)麻煩，而且費時費力。一個大的數(shù)學(xué)題目，比如地質(zhì)資料則需要數(shù)小時才可輸入完畢。

　　可想而知，如果在計算機運算過程中一旦停電，整個過程必須再重復(fù)一遍，這會帶來多大的損失。因此，為了解決這個問題，當(dāng)時就提出希望在市電停電時能馬上給計算機一個信號，同時供電電源也不要馬上斷電，至少要堅持5s，使計算機能把當(dāng)前的運算結(jié)果保存起來，等供電恢復(fù)時可以接著運算下去。這就是不間斷電源(UPS)的出現(xiàn)背景，所以說UPS和計算機是一對孿生兄弟。

　　早期的UPS是一臺交流發(fā)電機配上一個幾噸重的大飛輪。比如1967年我國進口英國的一臺1900計算機就配帶了一臺20kVA的UPS，這是一臺在轉(zhuǎn)子軸上安裝了一個5噸重飛輪的電動交流發(fā)電機，如圖1所示。在市電正常供電時，飛輪與發(fā)電機轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)市電斷電時，借助飛輪的慣性帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子再繼續(xù)一個短暫的供電時間?？梢钥闯?，飛輪越重，后備供電的時間越長。

　　因此這種不間斷供電的方式耗材多，效率低，后備時間有限。尤其是起動時間既長又耗費電力，是使用者無可奈何，不得已才設(shè)計出的后備供電方案。不過這種供電結(jié)構(gòu)方式也有其很大的優(yōu)點，那就是抗干擾能力特強，莫說是尖峰、噪聲、雷電之類的短暫干擾無法侵入，即使是幾秒鐘的電壓跌落和上沖也不能反應(yīng)到計算機上。

　　為了有較長的后備時間，就采用了由直流電動機帶動交流發(fā)電機的方式，即將交流市電變成直流給電池組和直流電動機供電，一旦市電斷電就由電池組向直流電動機供電，使其繼續(xù)帶動交流發(fā)電機不間斷供電。這種供電結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和飛輪式發(fā)電UPS有著同樣的優(yōu)點?？梢钥闯?，在這里后備發(fā)電的時間長短取決于電池組的儲能情況，也就是電池組的容量。該時期的后備發(fā)電屬于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機式UPS，是動態(tài)后備方式，如圖2所示。此時期由于電池組電壓在大功率范圍內(nèi)穩(wěn)定會帶來很煩，因為二極管整流輸出電壓是隨市電電壓而浮動的，若給電動機穩(wěn)定的安全工作電壓，必須要龐大的直流穩(wěn)壓器，這在當(dāng)時的技術(shù)條件下是很困難的，當(dāng)時的直流穩(wěn)壓器都是線性的，效率相當(dāng)?shù)?。所以功率不宜做大?/P>

　　60年后期可控硅的出現(xiàn)推進了UPS技術(shù)的發(fā)展，大功率可控整流器可以使電池輸入電壓穩(wěn)定，交流輸出電壓也可以用可控硅構(gòu)成的逆變器產(chǎn)生。此時就出現(xiàn)了另一支由動態(tài)變換轉(zhuǎn)向靜止變換的UPS。此時的電路特點是：主電路全可控硅化，輸入和輸出都有變壓器，如圖3所示。1973年訪華帶來的兩臺Exide公司的UPS就是這種典型的結(jié)構(gòu)。但可控硅逆變器的輸出只能是方波，所以逆變器后面要配置龐大而笨重的無源濾波器方可得到類似市電的正弦波。為了減小濾波器的累贅，也有的用幾個逆變器輸出波形串聯(lián)以得到接近正弦波的階梯波，但同樣增加了UPS的造價和功耗。

　　高壓可控硅與大功率晶體管的問世又使UPS技術(shù)向前邁進了一步，IPM公司在1980年左右取消了輸入變壓器，使UPS功耗有所減小。可控硅逆變器用晶體管代替，于是就出現(xiàn)了脈寬調(diào)制技術(shù)，由于將工作頻率提高到幾千赫茲，使得后面的無源濾波器大幅度減小。這樣一來是原來80%左右的系統(tǒng)效率幾乎提高了10個百分點。但由于晶體三極管的二次擊穿效應(yīng)為機器帶來了不可靠因素，恰逢功率MOS管也已問世，此一階段兩種器件都在使用，不過由于功率 MOS管壓降較大也難以做到大功率，為此晶體管與功率MOS管相結(jié)合的IGBT絕緣柵晶體管的出現(xiàn)解決了上述難題，很快就被用在了逆變器上。到此為止，基本定型了迄今為止仍在沿用的所謂工頻機結(jié)構(gòu)UPS技術(shù)，由于此時逆變器仍在使用全橋電路，輸出端都是火線，所以必須要加輸出變壓器，使其產(chǎn)生零線(中線)。

　　由于IT技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，大型計算機房開始建立，用電量大幅度增加，于是就發(fā)現(xiàn)了兩個問題：機房的輸入功率因數(shù)受到了的質(zhì)疑，為了保證用電效果一般要求用戶的輸入功率因數(shù)不能低于0.9，而工頻機結(jié)構(gòu)UPS的輸入功率因數(shù)都在0.8以下;由于用電量的增加，效率顯得格外重要，大型機房每年的運行費用高得驚人，而工頻機結(jié)構(gòu)UPS得實際系統(tǒng)效率大都在90%以下。這種現(xiàn)狀如不改變將會給用戶帶來很大的損失。

　　1.3這里就出現(xiàn)了一個這樣的問題：為什么逆變器的器件更新很快，而整流器器件一直沒變動呢？

　　一般定型了的生產(chǎn)線尤其是大公司是不會輕易變動的，定型了的電路也不會輕易改動。但由于下述兩個原因所迫，不得不及時改進。

　　1)輸出環(huán)節(jié)的問題不論是什么年代，笨重龐大的體積總是不招人喜歡的，而且耗能相當(dāng)嚴(yán)重。開始UPS的輸出方波要變成正弦波是何其困難!又是龐大的變壓器，又是龐大的濾波器或者是龐大的逆變器，等等。所以這一部分就成了急需改進的關(guān)鍵，一有機會決不放過。這也就成了逆變器更新?lián)Q代的動力。

　　2)改進的難度和復(fù)雜性問題

　　高頻機及頻機結(jié)構(gòu)UPS的技術(shù)出現(xiàn)為當(dāng)今高密度信息機房的建立與普及鋪平了道路。首先這種UPS的輸入功率因數(shù)幾乎是1，整機效率半載時就可達到95%，僅這兩項指標(biāo)就是傳統(tǒng)型工頻機結(jié)構(gòu)UPS所的，尤其是當(dāng)代數(shù)據(jù)中心為了節(jié)能減排提出了能效比(PUE)在1.7以下的要求，更是傳統(tǒng)型工頻機結(jié)構(gòu)UPS無法達到的指標(biāo)。

　　2工頻機結(jié)構(gòu)UPS中輸出變壓器的真正作用

　　2.1工頻機結(jié)構(gòu)UPS中輸出變壓器是逆變器的環(huán)節(jié)

　　前面所述，由于工頻機結(jié)構(gòu)UPS的逆變器采用的是如圖4所示的全橋逆變器電路。從圖中可

　　以看出，逆變器輸出的三條都是火線，沒有中線。而用戶實際用的是具有中線的三相四線制電壓3

　　380V/220V，所以必須用加變壓器的辦法進行D-Y轉(zhuǎn)換(三角形變星形)后變成三相四線制才能使用。這就是輸出變壓器的由來。

　　2.2工頻機UPS輸出變壓器的真正作用

　　由于工頻機UPS在高頻機UPS面前頓失光彩，為了能暫時維持下去，就找了一些能“光環(huán)式”的理由。就根據(jù)高頻機UPS沒有輸出變壓器而編造出一些莫須有的功能：

　　◆能抗干擾

　　◆能緩沖負載的突然變化和抗輸出端短路

　　◆能隔直流，一旦逆變器故障是直流不能加到負載機器上去

　　◆能提高UPS整個系統(tǒng)的可靠性

　　◆能適應(yīng)大范圍的電網(wǎng)變化和沖擊

　　利用一些用戶以往對工頻機UPS的理解和對高頻機UPS的生疏，就相信了這些說法，有的甚至在招標(biāo)書上就明確提出“要帶輸出隔離變壓器的工頻機 UPS”。豈不知這些都不是電源變壓器的真正作用，下面就來進行具體分析。圖5(a)是單相工頻機UPS無輸出變壓器時且與輸入同步時的電流路徑圖。在輸出電壓與輸入同步鎖相情況下，逆變器開關(guān)管的開啟與關(guān)閉是按照同步鎖相情況下按序通斷的。比如此時L為正半波，電流依序流過用園虛線圈圈定的兩個整流二極管、兩個逆變器功率管和負載，這是UPS正常工作模式。如果此時的輸出電壓正好是負載的匹配電壓，比如是220V，那么負載即可正常工作。但遺憾的是有些計算機廠家規(guī)定其設(shè)備輸入電壓必須接地，否則就不開機。無奈，只好將輸出一端無輸入中線相連，由于我國用電制式是在變電站已將中線與地線相連，因此在這里也就相當(dāng)于接地了，如圖5(b)所示。從頭中可以看出，此時的電流僅僅流過一個整流二極管、一個逆變器功率管和負載。即UPS只有一半器件在工作，這已不是正常電源了。不僅如此，最可拍的是輸出電壓與輸入不是同步鎖相情況，這時逆變器功率管的通斷是隨機的，可不巧的是，100次開機幾乎就有100次不同步，如圖6所示的情況。此時電流的路徑僅僅流過用園虛線圈圈定的以一個整流二極管和一個逆變器功率管，甚至沒有經(jīng)過負載。換言之，220V電壓直接加載了開通的兩只管子上，這已是短路情況，強大的電流會將器件一舉擊穿，嚴(yán)重的情況下會發(fā)生爆炸。在2000年前后我國進口了一VictronUPS，就是這種沒有輸出變壓器的全橋逆變電路，直接的接用電設(shè)備可正常供電，但輸出端只要有一端接地，一啟動就爆炸，無一例外。無奈就是在逆變器輸出端外接了一個輸出變壓器問題就解決了。如圖7所示，就是單相工頻機UPS加輸出變壓器與輸入同步時的電流路徑圖?？梢钥闯?，在變壓器的次級引接地線，變壓器初級的電流路徑就又恢復(fù)到了圖5(a)的情況。即這個變壓器使全橋逆變器工作電路恢復(fù)了正常。

　　所以，工頻機UPS不論是單相還是三相變壓器的個作用就是產(chǎn)生中性線或隔離接地點。第二個作用就是變壓，這顯而易見，UPS逆變器的任務(wù)是將前面的直流電壓逆變成交流。不同廠家、不同容量的直流電壓是不同的，但必須逆變成統(tǒng)一的交流電壓值，在我們國內(nèi)就是3×380V/220V或單相 220V，在全橋逆變器的情況下的方法就是加變壓器。

　　2.3期望而得不到的虛擬功能

　　2.3.1變壓器可以抗干擾和緩沖包括短路在內(nèi)的電流沖擊嗎？

　　對于上述的問題，回答是否定的。UPS的一個重要性能指標(biāo)就是輸出端的電壓動態(tài)響應(yīng)，因為UPS是個電壓源，電壓源的特點是：在電源的能力范圍內(nèi)，不論電流如何變化，電壓必須保持穩(wěn)定在范圍內(nèi)，如圖8電壓線上下的點劃線所示。如果在時間t1負載需要一個大電流脈沖，這是電源就必須及時地供出，如果給緩沖到時間t2給出，并且減小了電流幅度，負載機器必然不能正常工作。這樣的UPS也就沒有用處了。這里的誤區(qū)就是把變壓器當(dāng)作了電抗器或扼流圈。變壓器雖然是非線性器件，但在這里必須工作在特性曲線的線性區(qū)，才能保證UPS的良好性能。所以靠變壓器緩沖負載端的短路電流更是奇想。