用戶在購買大功率逆變器的時候,常常面臨在工頻機和高頻機之間進行選擇的困惑。就逆變器廠商方面而言,當然都認爲是自己的好,“公說公有理,婆說婆有理”。提供工頻機的廠商說工頻機穩定性和可靠性高;提供高頻機的廠商會說高頻機節省空間,成本相對較低等諸如此類的說法。其實,工頻機和高頻機到底孰優孰劣,很難一概而論,可以說各有利弊。用戶應當在全面認識這兩種逆變器機型的基礎上,客觀審視自身的應用和需求,選擇適合自己需要的產品。
1 工頻機和高頻機的原理分析
工頻機和高頻機是按逆變器的設計電路工作頻率來區分的。工頻機是以傳統的模擬電路原理設計,由晶閘管(SCR)整流器、IGBT逆變器、旁路和工頻升壓隔離變壓器組成。因其整流器和變壓器工作頻率均爲工頻50Hz,顧名思義叫工頻逆變器。高頻機通常由IGBT高頻整流器、電池變換器、逆變器和旁路組成。IGBT可以通過控制加在門極的驅動來控制其開通與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在幾千赫到幾十千赫,甚至高達上百千赫,遠遠高於工頻機,因此稱爲高頻逆變器。
在工頻逆變器電路中,主路三相交流輸入經過換相電感,接到三個SCR橋臂組成的整流器之後變換成直流電壓,通過控制整流橋SCR的導通角來調節輸出直流電壓值。由於SCR屬於半控器件,控制系統只能控制開通點,一旦SCR導通之後,即使門極驅動撤消,也無法關斷,只有等到其電流爲零之後才能自然關斷,所以其開通和關斷均是基於一個工頻週期,不存在高頻的開通和關斷控制。由於SCR整流器屬於降壓整流,所以直流母線電壓經逆變輸出的交流電壓比輸入交流電壓低,要使輸出相電壓能夠得到恆定的220V電壓,就必須在逆變輸出增加升壓隔離變壓器。
相比而言,高頻逆變器整流屬於升壓整流,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峯值高,一般典型值爲800V左右,如果電池直接掛接母線,所需要的標配電池節數需要67節,這樣給實際應用帶來極大的限制。因此一般高頻逆變器會單獨配置一個電池電壓變換器,市電正常的時候電池變換器把800V的母線電壓降到電池組電壓;市電故障或超限時,電池變換器把電池組電壓升高到800V的母線電壓。由於高頻機母線電壓爲800V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之後就不再需要升壓變壓器。因此,有無隔離變壓器是工頻機與高頻機在結構上的主要區別。
2 逆變器輸出隔離變壓器的作用
隔離變壓器是利用電磁感應原理,對配電或信號進行電氣隔離的.裝置。隔離變壓器在逆變器中通常被設計在逆變器的輸出端,可以起到增加逆變器性能改善負載端供電質量的作用。通常,逆變器的輸出隔離變壓器有以下四大優點:
2.1 降低零地電壓,優化逆變器末端供電網絡
逆變器的逆變輸出安裝隔離變壓器可以隔離輸入和輸出之間的電氣連接,從而有效地降低輸出的零地電壓。由於隔離變壓器的副邊繞組採用Y型接法,中性點接地後產生新的零線,從而達到降低零地電壓的目的。事實上,HP、IBM、SUN的小型機因爲要保證精密的計算能力與高可靠的數據處理傳輸能力,都會對零地電壓有極高的要求,加裝隔離變壓器可以徹底解決因爲零地電壓偏高所造成的一些問題。
2.2 濾除負載端諧波,提高供電質量
隔離變壓器本身具有電感特性,輸出隔離變壓器可以濾除負載端的大量低次諧波,減少高頻干擾,並可以使高次諧波大幅度衰減。採用電源隔離變壓器,可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾,提高設備的電磁兼容性。
2.3 增強過載短路保護能力,保護負載與逆變器主機
由於其自身的特性,隔離變壓器是逆變器中工作最爲穩定的器件。逆變器在正常工作過程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會產生反向電動勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的衝擊破壞,具有保護負載與逆變器主機的作用。
2.4 “通交流阻直流”,UPS故障時保護負載
高額逆變器的AC/DC變換部分採用高頻化設計,提高了逆變器的輸入功率因數(0.98以上)及輸入電壓範圍,DC/AC逆變部分高頻化減少了輸出濾波電感的體積,功率密度大。由於無輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的IGBT被擊穿短路,BUS母線直流高電壓將加到負載上，危及負載的安全。輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力，可以解決此類問題，在逆變器發生故障時能夠使負載安全運行。
3 工頻機和高頻機的性能對比
(1)在可靠性方面,工頻機要優於高頻機
工頻機採用晶閘管(SCR)整流器,該技術經過半個多世紀的發展和革新,已經非常成熟,其抗電流衝擊能力非常強。由於SCR屬於半控器件,不會出現直通、誤觸發等故障。相比而言,高頻機採用的IGBT高頻整流器雖然開關頻率較高,但是IGBT工作時有嚴格的電壓、電流工作區域,抗衝擊能力較低。因此在總體可靠性方面,IGBT整流器比SCR整流器低。
(2)在環境適應性方面,高頻機要優於工頻機
高頻機是以微處理器作爲處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄於微處理器中,以軟件程序的方式來控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環境影響小,因此比較適合於對可靠性要求不太苛刻的辦公場所。正因爲如此,許多廠家的中小功率UPS普遍推出了高頻機。
(3)在負載對零地電壓的要求方面,工頻機要優於高頻機
大功率三相高頻機零線會引入整流器並作爲正負母線的中性點，這種結構就不可避免地造成整流器和逆變器高頻諧波耦合在零線上，擡升零地電壓，造成負載端零地電壓擡高，很難滿足IBM、HP等服務器廠家對零地電壓小於1V的場地需求。另外，在市電和發電機切換時，高頻機往往因零線缺失而必須轉旁路工作，在特定工況下可能造成負載閃斷的重大故障。工頻機因整流器不需要零線參與工作，在零線斷開時，UPS可以保持正常供電。
4 結束語
從結構上講,工頻機逆變器和高頻機逆變器的差異主要表現在隔離變壓器上,而工頻機對隔離變壓器的使用,在很大程度上提升了逆變器的可靠性。從綜合性能方面來講,工頻機和高頻機則各有優劣,至少在當前,不存在誰取代誰的問題。用戶在選購設備的時候應當立足於自身的實際需要,而不是盲目跟從。比如,用戶要建設中大型的數據中心,那麼對可靠性和穩定性的要求就應當放在第一位,大功率的工頻機逆變器就應當是首選;如果是一般的辦公場所應用,或者主要考慮到設備對空間的佔用,則可以採用高頻機逆變器。
