高频机结构UPS将是今后数据中心的第一选择

文｜中国电源学会 王其英

1 工频机UPS和高频机UPS的一般概念

UPS原来分旋转发电机式和静止变换式，静止变换式工频机结构UPS技术出现在20世纪70年代，比旋转发电机式晚一些，毫无疑问在当时属尖端技术，几十年间也为电子电器技术领域做出了不朽的贡献，有口皆碑。一般说任何技术的先进性是相对的，任何先进的产品也有其一定的适用期。随着IT技术的出现与发展，工频机UPS逐渐暴露出它的缺点，比如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等不利因素，不但影响数据中心PUE（能耗比）的可靠性，而且对节能减排的社会效益也是背道而驰的。

在历史发展中总是遵循这样一个规律：每当一种技术阻碍生产力发展时，就会有一种新的技术产生出来将其代替。毫不例外，新一代产品高频机UPS技术的问世，为了区别以前的UPS，就起了一个高频机UPS的名字，原来那种输入输出都工作在50Hz并且有输出变压器的老电路结构就称作工频机结构UPS；而这种输入输出电路都工作在20kHz以上且没有输出变压器的电路就称之为高频机或高频机结构UPS。

2 高频UPS与工频机UPS相比有很多优点

高频UPS除了具备工频机UPS那些技术指标外，还有着更高的性能和指标，有些是工频机UPS所望尘莫及的。

2.1 输入功率因数高

工频机UPS一般在400kVA以下，输入电路都标配了可控硅6脉冲整流，输入功率因数不超过0.8，谐波电流有30%之大。如果前面加发电机，发电机的容量至少要3倍于UPS功率；如果是单相小功率UPS，发电机的容量至少要5倍于UPS功率。三相UPS为了提高输入功率因数，或前面加谐波滤波器，或做成12脉冲整流、24脉冲整流整流等，即在一个周期中有12个或24个整流电流脉冲。但同时也带来了体积庞大、结构复杂和价格上涨的问题。

而用IGBT整流的高频机UPS，在一个周期中有成百上千个整流电流脉冲，所以任何容量的高频机UPS在前面不加任何滤波器的情况下，它的输入功率因数都可做到0.99甚至以上，谐波电流小于5%，前置发电机的容量理论上和UPS功率相同，大大缩减了投资和节能减排。尤其是对市电的充分利用具有良好的经济意义和社会意义。

2.2 本身功耗小

在同样的指标下，比如要求输入功率因数为0.95以上时，工频机UPS就必须外加谐波滤波器或改为12脉冲整流，就是说前面要增加一个设备，再加上输出变压器，就比高频机UPS多了两个环节，如图1所示。由于两者的影响，使得工频机UPS的效率比高频机UPS低5%。在同样是100kW的容量时工频机UPS每年要比高频机UPS多消耗5万度电，这在中央号召节能减排的今天具有深远意义。

图1 高输入功率因数下的工频机UPS和高频机UPS结构方框图

2.3 对外干扰小

干扰有两种，一种是听得到的机械噪声，一种是听不到的电噪声，这两种噪声工频机UPS都有，形成了对设备和人的伤害。电噪声影响机器的稳定度，机械噪声影响人的身心健康，降低工作效率。而高频机UPS由于工作在20kHz以上，20kHz是人的耳朵听不到的频率，使工作环境安静下来。又由于高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上，几乎是线性，所以对外干扰几乎为零。

2.4 体积小、重量轻

工频机UPS由于有了输出变压器和适应50Hz的电感电容等低频器件使得体积重量都很大。比如某品牌200kVA工频机 UPS重1380kg，而同是这一家的250kVA高频机UPS 重量只有830kg。

2.5 全数字技术

工频机UPS开始是模拟技术（如图2（a）所示），现在一般为数字与模拟相结合的技术。模拟技术的可靠性要比数字技术低。而高频机UPS技术是一种全数字化技术（如图2（b）所示），不言而喻，可靠性较好。

2.6 对电网的适应能力强

工频机UPS对于适应输入电压15%的变化已很不易；而高频机UPS甚至适应输入电压30%以上的变化，这大大延长了电池的使用寿命。

2.7 能将并机环流衰减到几乎为零

图2 两种UPS并联方框图

工频机UPS的并联就是变压器的直接并联，而变压器的直接并联最容易产生环流，而且环流的路径畅通无阻，如图2（a）所示；高频机UPS由于没有输出变压器，它们的并联如图2（b）所示，可以看出这里的环流路径上处处是障碍，小于2V的电压差根本不成环流，而工频机UPS在此情况下就会形成很大的环流。

总之，高频机UPS在性能上不但能完全替代工频机UPS，而且还多出后者所没有的特点。

工频机UPS为了延缓销售寿命，在其他性能指标上无法与高频机UPS抗敌，就把希望寄托在输出变压器上，因为高频机 UPS没有形式的变压器，再加之一些用户缺乏基本概念，于是就赋予了变压器很多神秘色彩的功能。比如变压器可以抗干扰、缓冲负载浪涌电流、隔直流、适应电网电压的冲击和变化。

在这里，不要忽略电源的基本功能，UPS是电压源，电压源的基本功能就是输出电压动态性能，即无论负载在允许范围内如何变化，电压总是稳定的。根本不允许变压器对负载电流进行什么“抵抗”或“缓冲”。

有的说变压器是为了在逆变器功率管损坏时隔断直流电流到负载通路而加入的，对此说法不妨做一个探讨，看一看变压器是否有直流的功能，图3显示出一般变压器的工作情况。首先承认变压器是变换交流电的，如图3中正弦波所示。假如不用来变换交流电而是施加直流，图3中将电池组开关S闭合，由于变压器绕组内阻相当小（近似于短路）就会在电池组和变压器初级绕组之间形成相当大的电流，一直到将电池组或导线或绕组烧断为止。换言之，这种电源变压器不能加直流。

图3 全桥逆变器UPS输出变压器原理图

再看逆变器一支功率管（比如VT2）穿通（短路）的情况。只要VT4一导通就形成对前面直流电压的短路状态，如图4所示。强大的电流可将VT4瞬间炸毁，如果不是炸断就更危险，它可能会将电池组烧毁。某电子公司就因如此一举烧毁72节100AH电池。在这种情况下也是隔断了直流，同样是把自己给烧毁了。

图4 全桥逆变器UPS一个功率管穿通情况原理图

下面就来讨论逆变器功率管损坏情况。逆变器功率管的损坏有两种情况：断开或穿通（短路）。图5显示了UPS全桥逆变器一个功率管（比如VT2）开路（断开）的情况。在此情况下的电流路径只能是一个方向，就是说只能输出一个极性半波，一个极性就意味着含直流成分，直流电流分量在变压器初级绕组中的积累会使绕组达到饱和状态，就类似于绕组短路，形成很大的电流，以致将变压器和电池这个回路烧断为结束。这个直流电流倒是没有进到负载端，但UPS本身烧毁了。

图5 全桥逆变器UPS一个功率管开路情况原理图

以上两种情况都是用烧毁或关断UPS本身为代价而保护了IT设备，这对IT设备用户是不是就算是一种福音？当然不是，因为不论是烧毁、关断UPS都会使IT设备无法继续工作。

如果UPS供电设备在逆变器功率管损坏的情况下不但保护了IT设备的正常工作，同时也保证了UPS本身的故障范围不再扩大，这样的隔直流功能才有实际意义，这才是用户真正需要的。

在大功率三相UPS中这个变压器具有隔断三次谐波的能力，但必须是D-Y连接，如图6所示。这种连接方法消除的是线电压上的三次谐波，而相电压上的谐波不能消除。

图6 UPS输出三相变压器的连接

图6右图所示，谐波是直接耦合过去的。再说逆变器本身产生的三次谐波几乎为零，根本不用到输出端去消除。而负载大都用相电压220V，并且还破坏相电压波形而产生三次谐波。因此在这里谈什么消除三次谐波是没有实用价值。

工频机UPS输出变压器的基本功能就是变压和产生隔离接地点，其他功能只是想象中的一种美好愿望。

3 高频机UPS与工频机UPS的现状

因为高频机UPS对技术与工艺以及生产手段的要求非常严格，一般也不容易仿制，20kHz以上的高频机UPS容量目前都小于100kVA，只有少数几个制造厂的技术真正过关，并且已显示出强大的生命力。在大功率范围虽然不能做到20kHz，但可以采用高频机结构，比如用IGBT高频整流（相对于50Hz而言），频率一般在15kHz以下，多数厂家已可做到200kVA，但也有佼佼者，比如秀康10年前就可做到8kHz/480kVA，GE、TMEC（三菱和东芝）、富士也已可以做到500kVA，伊顿9395更是突破了大容量的技术禁区，一举将单机功率容量做到了1200kVA，并已成为美国的军方指定产品。这说明高频机结构UPS技术已经成熟，在我国军方和金融等重要部门也已纷纷采用，并收到了良好的效果。

当然工频机结构UPS在这种情况下的日子会越来越艰难，好在还有一批厂家的高频机结构UPS没有过关，还得主推工频机UPS；对用户来说，有些用户对工频机尚有偏爱，尽管国家三令五申号召节能减排，但这些用户总能找出一些继续用工频机结构UPS的理由，这是个认识问题，但不要认为工频机UPS技术永远不落后。从科学发展观来说，以后一段时间内无疑是高频机UPS的市场。

4 所谓两个发展方向

现在有一种说法：高频机UPS和工频机UPS是两个发展方向，这就使人糊涂：

（1）难道效率低的产品也是发展方向？难道节能减排还允许其反向产品发展？

（2）在有了更好的替代品以后，难道耗费资源和笨重的产品也是发展方向？

总之，这种观点不外乎说：高频机UPS与工频机UPS并存；节能减排与浪费能量和资源并存；先进与落后并存；所谓技术上的并存应该是不可替代的，比如自行车虽然比汽车跑得慢，但它们在一定程度上是互相不可替代的；而这里的UPS技术却是在一条轨道上跑的车，可以完全替代的。这就象蒸汽机车被燃油机车替代，燃油机车又将被电气机车替代一样那么自然，水到渠成，是谁也挡不住的。