變壓器為什么不能作為區(qū)分兩種UPS的標(biāo)志

當(dāng)前電子技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)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(shí)代。真正高頻機(jī)UPS的工作頻率是20kHz以上。因?yàn)槿硕渎?tīng)得見(jiàn)的頻率是16Hz~20kHz，人的耳朵對(duì)20kHz和以上頻率的聲音就相應(yīng)不了啦，聽(tīng)不見(jiàn)了。對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，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(lái)，照樣是一個(gè)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(duì)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(lái)是整流器和逆變器都工作在50Hz的工頻，但后來(lái)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(shuō)這種UPS的一只腳跨進(jìn)了高頻的門(mén)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(jiàn)，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(lái)也給用戶帶來(lái)了莫大的好處，尤其對(duì)大功率來(lái)說(shuō)，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(gè)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?，從而降低了機(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(lái)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(shí)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(shuō)明六脈沖整流輸入的UPS是非線性負(fù)載，會(huì)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(wèn)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(shí)就不失真，而帶六脈沖整流器UPS時(shí)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(guó)家對(duì)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(shí)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(guó)策的時(shí)代又是多么可貴的貢獻(xiàn)??！

據(jù)初略估計(jì)，目前大約有200萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器在24h運(yùn)行，以每臺(tái)平均功耗400W計(jì)，就是800,000kW，需2000臺(tái)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(tái)相差約1.4噸，2000臺(tái)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(kāi)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(kāi)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(jí)塑料，機(jī)架用的高標(biāo)號(hào)的鋼…哪一種都不是輕易獲得的。如果將這些節(jié)約下來(lái)的器材再移作它用，又會(huì)創(chuàng)造多么大的價(jià)值！