高頻機與工頻機的UPS優劣分析

帥業明

（湖北郵電規劃設計有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著科學技術的發展，數據中心等機房建設中需要穩定的供電系統，而UPS以安全、智能和環保等特點被廣泛運用。現有高頻機和工頻機兩種形式，針對哪種設備更好，使用者各有爭論。綜合考慮輸入功率因數、體積、質量、防干擾和頻率等因素，高頻機可能將代替工頻機成為UPS未來的發展方向。具體運用過程中，要結合實際情況設計方案，從眾多方案中選擇最適合的設計方案，以保證用電的穩定性和安全性。

1 高頻機UPS與工頻機UPS

定義上，高頻機UPS是利用高頻配件取代原先UPS中的配件，進而為高頻器件提供充足的蓄電電源。該電源有輸出頻率高、體型面積小等特點，是當前我國機房中普遍使用的UPS電源。高頻機不含有隔離變壓器，輸送電源含有高頻電流，主要是因為城市電網中的UPS整流器、諧波干擾、負載諧波干擾和高頻逆變器脈沖電流等嚴重干擾電壓。電壓不但數值高，還很難降低，導致工頻機零地電壓更低，缺少高頻。工頻機UPS和高頻UPS相比，出現時間較早，運用時間較長。隨著技術的發展，受新型技術的影響，工頻機UPS內部出現了各種微處理器和報警系統等先進技術手段，且在第六代IGBT及安靜開關技術下提升了電源容量和運用性能，在我國很多領域中廣泛運用[1]。

針對兩種UPS選型，我國很多用戶仍然使用工頻機UPS電源。因為該電源運用時間長久，深受客戶喜愛，且這些用戶使用工頻機UPS電源已經習慣，在使用過程中思想上存在一些弊端，認為工頻機UPS比高頻機UPS強。事實上，我國計算機技術發展速度很快，通過科學技術和先進的信息技術水平，在電子領域中可將創新技術理念融入高頻機UPS技術。在數據中心供電電源選擇上，主要以節能減排為主。USP將來的發展方向也將是面向智能和節能，在一定程度上可提升效率、節約成本。當前，高頻機UPS技術不斷完善，符合現代社會低碳環保的潮流，且其外觀和性能隨著技術的發展而轉變，很多國際著名UPS生產廠家已經減少工頻機UPS的生產而轉為高頻機UPS的生產。可見，高頻機UPS是未來的發展方向。

2 高頻機UPS與工頻機UPS電路結構上的區別

一般來說，傳統輸出和輸入電源都在50 Hz且輸出變壓器中電路結構的UPS叫做工頻機UPS，將輸出和輸入電源在20 Hz以上且輸出變壓器電路結構的UPS叫做高頻機UPS。以往工作中，大頻率結構UPS的基本構造是升壓變壓器、IGBT逆變器、直流母線和晶閘管整流。現在，小功率高頻機UPS的主要構造是獨立充電器、逆變器、二極管整流和DC BOOST升壓環節等；中大功率中高頻機UPS基本構造為獨立充電器、逆變器、IGBT整流和DC BOOST升壓環節。可見，高頻機和工頻機主要面向整流環節，工頻機使用晶閘管整流，最好狀態也是進行脈沖整流。小功率高頻機使用二極管不控整流和高頻直流升壓環節等；中大功率高頻機主要包括IGBT結構等。最開始UPS中運用晶閘管逆變工作模式，現在已經被淘汰，多使用IGBT中高頻逆變工作模式。此外，工頻機運用中，整流逆變環節不可缺少，需要有效的降壓；電流輸出則必須有升壓環節，因此輸出變壓器不可缺少。高頻機中有DC/DC升壓環節，輸出側可以不加升壓環節。針對需要添加變壓器的部分，高頻器可以根據實際要求加入隔離變壓器，作用也從原先的必須轉變為現在的可選配制。UPS電氣結構之所以發生了重大變化，是因為技術的發展促使電器元件不斷發展。IGBT作為UPS的主要元件，在外觀和技術上都有所進展，完全性、容量和結構也都遠強于SCR。隨著數字化和信息技術的不斷發展，最新的UPS也由開始的工頻機逐漸轉變為高頻機，轉變的最大特點是UPS主機體積變小、質量降低，更重要的是電氣元件性能更強。

3 高頻機UPS和工頻機UPS的不同

3.1 輸入功率因數

高頻機UPS可以輕易將IGBT整流功率因素調整到1，諧波電流低于5%，減少電力回饋出現的干擾等問題。前置發電機和UPS的容量基本相同，降低了設備的投入和空間占有率。工頻機UPS電流的輸入是運用晶閘管六脈沖整流，往往功率因數最高為0.8，但是諧波電流高到30%，前置發電機是USP的3倍。如果單相小功率UPS，則可能超過5倍。

3.2 功率方面

同等工作環境下，如果輸入功率因素為0.9以上，工頻機UPS需要使用無源濾波器和十二脈沖整流結合的工作模式，或者使用有源濾波器和六脈沖整流結合。也就是說，如果想要正常運行，工頻機UPS需要在前面添加一個輸出變壓器。這意味著如果運用工頻機UPS，需要多添加2個設備，功率更高。和高頻機相比，這不但工作效率低，而且耗能更高[2]。

3.3 體積、質量和防干擾方面

因為高頻機輸出開關頻率很高，經常出現輸出波形平滑的情況，不需要更多電感元件，因此可減少變壓器設備數量，然后體積和重量隨之減少。例如，我國市面上普遍出售的200 kVA工頻機UPS重量達1 400 kg、體積大，而統一品牌的250 kVA高頻機UPS重量只有800 kg，質量和體積上優勢明顯。另外，高頻機UPS運行頻率為20 kHz左右，工作時人耳不能聽到該頻段的頻率，噪聲明顯減少，且輸入功率因數可到1，線性上游，幾乎沒有對外的干擾。但是，工頻機UPS運行時產生巨大的機械噪聲等，對周邊環境造成環境污染。

3.4 電網適應能力

工頻機UPS最多可適應電壓變化15%，超過這一范圍，工頻機就不能再運作[3]。但是，高頻機UPS可以適應輸入電壓變化30%左右，這在很大程度上延長了電池的使用壽命和工作效率。

3.5 數字化技術

工頻機UPS一般運用模擬技術，隨著科學進步，開始使用數字和模擬技術相結合的方式。雖然它的安全性和運行效率有所提升，但是和全數字技術不可比擬。而高頻機UPS是全數字化技術，可靠性加強。

4 結 論

綜上所述，我國很多企業為了提升電力資源利用率，使用高頻機和工頻機UPS維護數據中心機房中電力的穩定。隨著科學技術的不斷發展，傳統工頻機在運行中的缺陷逐漸顯現，高頻機將得到更多客戶的重視和利用。因此，要明確認識這兩種電源的優劣性，重視高頻機UPS的運用，以期不斷提升我國的生產技術和水平。