高频机与工频机的UPS优劣分析

帅业明

（湖北邮电规划设计有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

随着科学技术的发展，数据中心等机房建设中需要稳定的供电系统，而UPS以安全、智能和环保等特点被广泛运用。现有高频机和工频机两种形式，针对哪种设备更好，使用者各有争论。综合考虑输入功率因数、体积、质量、防干扰和频率等因素，高频机可能将代替工频机成为UPS未来的发展方向。具体运用过程中，要结合实际情况设计方案，从众多方案中选择最适合的设计方案，以保证用电的稳定性和安全性。

1 高频机UPS与工频机UPS

定义上，高频机UPS是利用高频配件取代原先UPS中的配件，进而为高频器件提供充足的蓄电电源。该电源有输出频率高、体型面积小等特点，是当前我国机房中普遍使用的UPS电源。高频机不含有隔离变压器，输送电源含有高频电流，主要是因为城市电网中的UPS整流器、谐波干扰、负载谐波干扰和高频逆变器脉冲电流等严重干扰电压。电压不但数值高，还很难降低，导致工频机零地电压更低，缺少高频。工频机UPS和高频UPS相比，出现时间较早，运用时间较长。随着技术的发展，受新型技术的影响，工频机UPS内部出现了各种微处理器和报警系统等先进技术手段，且在第六代IGBT及安静开关技术下提升了电源容量和运用性能，在我国很多领域中广泛运用[1]。

针对两种UPS选型，我国很多用户仍然使用工频机UPS电源。因为该电源运用时间长久，深受客户喜爱，且这些用户使用工频机UPS电源已经习惯，在使用过程中思想上存在一些弊端，认为工频机UPS比高频机UPS强。事实上，我国计算机技术发展速度很快，通过科学技术和先进的信息技术水平，在电子领域中可将创新技术理念融入高频机UPS技术。在数据中心供电电源选择上，主要以节能减排为主。USP将来的发展方向也将是面向智能和节能，在一定程度上可提升效率、节约成本。当前，高频机UPS技术不断完善，符合现代社会低碳环保的潮流，且其外观和性能随着技术的发展而转变，很多国际著名UPS生产厂家已经减少工频机UPS的生产而转为高频机UPS的生产。可见，高频机UPS是未来的发展方向。

2 高频机UPS与工频机UPS电路结构上的区别

一般来说，传统输出和输入电源都在50 Hz且输出变压器中电路结构的UPS叫做工频机UPS，将输出和输入电源在20 Hz以上且输出变压器电路结构的UPS叫做高频机UPS。以往工作中，大频率结构UPS的基本构造是升压变压器、IGBT逆变器、直流母线和晶闸管整流。现在，小功率高频机UPS的主要构造是独立充电器、逆变器、二极管整流和DC BOOST升压环节等；中大功率中高频机UPS基本构造为独立充电器、逆变器、IGBT整流和DC BOOST升压环节。可见，高频机和工频机主要面向整流环节，工频机使用晶闸管整流，最好状态也是进行脉冲整流。小功率高频机使用二极管不控整流和高频直流升压环节等；中大功率高频机主要包括IGBT结构等。最开始UPS中运用晶闸管逆变工作模式，现在已经被淘汰，多使用IGBT中高频逆变工作模式。此外，工频机运用中，整流逆变环节不可缺少，需要有效的降压；电流输出则必须有升压环节，因此输出变压器不可缺少。高频机中有DC/DC升压环节，输出侧可以不加升压环节。针对需要添加变压器的部分，高频器可以根据实际要求加入隔离变压器，作用也从原先的必须转变为现在的可选配制。UPS电气结构之所以发生了重大变化，是因为技术的发展促使电器元件不断发展。IGBT作为UPS的主要元件，在外观和技术上都有所进展，完全性、容量和结构也都远强于SCR。随着数字化和信息技术的不断发展，最新的UPS也由开始的工频机逐渐转变为高频机，转变的最大特点是UPS主机体积变小、质量降低，更重要的是电气元件性能更强。

3 高频机UPS和工频机UPS的不同

3.1 输入功率因数

高频机UPS可以轻易将IGBT整流功率因素调整到1，谐波电流低于5%，减少电力回馈出现的干扰等问题。前置发电机和UPS的容量基本相同，降低了设备的投入和空间占有率。工频机UPS电流的输入是运用晶闸管六脉冲整流，往往功率因数最高为0.8，但是谐波电流高到30%，前置发电机是USP的3倍。如果单相小功率UPS，则可能超过5倍。

3.2 功率方面

同等工作环境下，如果输入功率因素为0.9以上，工频机UPS需要使用无源滤波器和十二脉冲整流结合的工作模式，或者使用有源滤波器和六脉冲整流结合。也就是说，如果想要正常运行，工频机UPS需要在前面添加一个输出变压器。这意味着如果运用工频机UPS，需要多添加2个设备，功率更高。和高频机相比，这不但工作效率低，而且耗能更高[2]。

3.3 体积、质量和防干扰方面

因为高频机输出开关频率很高，经常出现输出波形平滑的情况，不需要更多电感元件，因此可减少变压器设备数量，然后体积和重量随之减少。例如，我国市面上普遍出售的200 kVA工频机UPS重量达1 400 kg、体积大，而统一品牌的250 kVA高频机UPS重量只有800 kg，质量和体积上优势明显。另外，高频机UPS运行频率为20 kHz左右，工作时人耳不能听到该频段的频率，噪声明显减少，且输入功率因数可到1，线性上游，几乎没有对外的干扰。但是，工频机UPS运行时产生巨大的机械噪声等，对周边环境造成环境污染。

3.4 电网适应能力

工频机UPS最多可适应电压变化15%，超过这一范围，工频机就不能再运作[3]。但是，高频机UPS可以适应输入电压变化30%左右，这在很大程度上延长了电池的使用寿命和工作效率。

3.5 数字化技术

工频机UPS一般运用模拟技术，随着科学进步，开始使用数字和模拟技术相结合的方式。虽然它的安全性和运行效率有所提升，但是和全数字技术不可比拟。而高频机UPS是全数字化技术，可靠性加强。

4 结 论

综上所述，我国很多企业为了提升电力资源利用率，使用高频机和工频机UPS维护数据中心机房中电力的稳定。随着科学技术的不断发展，传统工频机在运行中的缺陷逐渐显现，高频机将得到更多客户的重视和利用。因此，要明确认识这两种电源的优劣性，重视高频机UPS的运用，以期不断提升我国的生产技术和水平。