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摘要：本文通过大容量工频UPS和高频UPS进行原理分析、拓扑对比、实测数据分析和性能对比，全面总结了大功率工频UPS和高频UPS的优缺点和选配原则。
一、工频机和高频机的定义和原理分析UPS通常分为工频机和高频机两种。
工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。
因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。
典型的工频UPS拓扑如下：图1：典型工频UPS拓扑主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。
由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。
由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。
同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。
同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。
工频机典型母线电压通常为300V~500V之间，可直接挂接三十几节电池，不需要另外增加电池充电器。
按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。
6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
6脉冲整流拓扑如下：图典型6脉冲拓扑12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
图典型12脉冲整流器示意图6脉冲和12脉冲的详细技术分析可参见《大功率UPS6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别》。
高频机和工频机的概述一、工频机UPS和高频机UPS的发展对于UPS的发展历史，最开始的UPS类型有旋转发电机式和静止变换式。
静止变换式工频机结构UPS技术出现在上个世纪70年代，比旋转发电机式晚一些，随着几十年间电力电子学的发展以及电力电子功率元器件的技术不断革新。
UPS 的无论从控制技术，成本控制，功率容量大小，拓扑技术等都有翻天覆地的变化。
一般说任何技术的先进性是相对而言，任何先进的产品也有其一定的适用期。
以UPS服务的IT服务器为例，随着IT新技术的涌现，包括目前主流IT厂商提到的服务器、存储虚拟化技术，云计算等，IT产品的新旧替换代表着技术发展的方向。
对于UPS行业，近年工频机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大大影响了建设和改造数据中心的灵活性，可用性。
目前UPS发展的方向朝高频化、小型化、智能化和环保化。
因为小型化有节省投资、提高效率、节约空间等优点。
小型化的前提是高频化，只有高频化才可以实现小型化。
小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。
以前由于技术、器件和材料的原因，UPS配有输入/输出隔离变压器，如此导致产品笨重、性能差、耗能大和价格贵。
后来由于新器件的问世，在1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器，近几年又由于技术的进一步发展和成熟，推出了新的逆变器变换方案，又成功地取消了输出隔离变压器，使UPS的性能有了很大程度的提高，这就是人们所说的高频型UPS。
这种UPS的整流器工作采用IGBT整流，开关频率不再是市电工频50Hz，而是高频5kHz-20kHz，并且功率因数高达0.99以上，输入不需要增加滤波器。
高频机进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。
所以国际上的多数UPS厂商放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产，改为生产高频型UPS。
目前市场上所谓的工频整流型UPS已逐渐减少。
高频机和工频机的概念解析现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
而UPS行业的发展也是从工频机向高频机的转变。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的功率MOSFET和IGBT，其集高频、高压和耐大电流于一身,使UPS的数字化不断深化，体积小，容量大，高频化将成为UPS的发展方向，大中型的UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机。
工频机的结构如下图：其基本的架构为：可控硅整流（Rectifier）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)→升压变压器(Transformer)这种UPS采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电，再通过桥式IGBT逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器将交流升压及滤波，提供纯正的交流输出。
其缺点为，从整流和逆变的过程中，都是降压环节。
可控硅整流通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定，因此可控硅整流以斩掉一部分输入交流电为代价，输出电压只能恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。
而逆变环节同样是一个降压环节，因同样用的是斩波的做法，其结果是输出电压等级的再次降低。
正是由于上述的原因，在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，将逆变输出的较低交流电压升致合理的输出范围，最终提供了恒定的220/380V输出。
新型的高频机的结构则如下图：其基本的架构为：二极管整流（Rectifier）→升压电路（Booster）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)此种的结构为双转换技术，有升压（Booster）和逆变（Inverter）两个高频环节。
因整流部分使用了二极管整流，不需要调整整流的导通角，整流后的DC电压不必控制，所以高频机的输入功率因数将提高，输入的市电范围可变宽。
而升压（Booster）的环节使用了PFC 的调控技术，用IGBT工作在高频下调控，可以使BUS的电压稳定在较高的电位，而且BUS 电压稳定，纹波小。
高频机和工频机的概念解析现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。
而UPS行业的发展也是从工频机向高频机的转变。
八十年代末期和九十年代初期发展起来的功率MOSFET和IGBT，其集高频、高压和耐大电流于一身,使UPS的数字化不断深化，体积小，容量大，高频化将成为UPS的发展方向，大中型的UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机。
工频机的结构如下图：其基本的架构为：可控硅整流（Rectifier）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)→升压变压器(Transformer)这种UPS采用可控硅整流将输入的交流电整流为直流电，再通过桥式IGBT逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器将交流升压及滤波，提供纯正的交流输出。
其缺点为，从整流和逆变的过程中，都是降压环节。
可控硅整流通过可控整流的导通角调整来适应输入电压变化，确保输入交流电压变化时整流输出直流电压的恒定，因此可控硅整流以斩掉一部分输入交流电为代价，输出电压只能恒定在低于全波整流输出电压的某个数值上。
而逆变环节同样是一个降压环节，因同样用的是斩波的做法，其结果是输出电压等级的再次降低。
正是由于上述的原因，在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，将逆变输出的较低交流电压升致合理的输出范围，最终提供了恒定的220/380V输出。
新型的高频机的结构则如下图：其基本的架构为：二极管整流（Rectifier）→升压电路（Booster）→直流母线(DC BUS)→逆变器(Inverter)此种的结构为双转换技术，有升压（Booster）和逆变（Inverter）两个高频环节。
因整流部分使用了二极管整流，不需要调整整流的导通角，整流后的DC电压不必控制，所以高频机的输入功率因数将提高，输入的市电范围可变宽。
而升压（Booster）的环节使用了PFC 的调控技术，用IGBT工作在高频下调控，可以使BUS的电压稳定在较高的电位，而且BUS 电压稳定，纹波小。
逆变器工频机与高频机有怎样的区别
其一、工频机是以传统的模拟电路原理来设计，机器内部电力器件（如变压器、电感、电容器等）都较大，一般在带载较大运行时存在较小噪声，在恶劣的电网环境条件中耐抗性能较强，耐涌冲性远高频机是无法比拟的，可靠性及稳定性均比高频机强。
而高频机是以微处理器（CPU蕊片）作为处理控制中心，是将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中，以软件程序的方式来控制UPS或逆变器的；
其二、从设备设计体积上区别的话，逆变器工频机远远大于高频机，重量远远大于高频机，因为综合上述说设备内部元器件、变压器、电感、电容器都较大，
其三、转换效率，工频机是没有高频机转换效率高，因为将繁杂的硬件模拟电路烧录于微处理器中，以软件程序的方式来控制逆变器的运行。
除体积大大缩小，其转换效率也提高了。
一、工频机和高频机的定义和原理分析UPS通常分为工频机和高频机两种。
工频机由可控硅SCR（晶闸管）整流器，IGBT（绝缘栅双极晶体管）逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。
因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。
典型的工频UPS拓扑如下：图1：典型工频UPS拓扑主路三相交流输入经过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。
由于SCR属于半控器件，控制系统只能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断控制。
由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。
同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆变高频谐波给输出零线带来的干扰。
同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。
工频机典型母线电压通常为300V~500V之间，可直接挂接三十几节电池，不需要另外增加电池充电器。
按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。
6脉冲指以6个可控硅（晶闸管）组成的全桥整流，由于有6个开关脉冲对6个可控硅分别控制，所以叫6脉冲整流。
6脉冲整流拓扑如下：图二、典型6脉冲拓扑12脉冲是指在原有6脉冲整流的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线由12个可控硅整流完成，因此又称为12脉冲整流。
下图所示两个三相整流电路就是通过变压器的不同联结构成12相整流电路。
图三：典型12脉冲整流器示意图6脉冲和12脉冲的详细技术分析可参见：《大功率UPS 6脉冲与12脉冲可控硅整流器原理与区别》。
高频机通常由IGBT高频整流器（注意：工频是SCR整流、IGBT逆变），电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT 整流器开关频率通常在几K到几十KHz,甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频, 称之为高频UPS。
一UPS工频机和高频机的区别1.在结构上：工频机设有内置逆变器输出隔离变压器,UPS输出与负载是隔离的.高频机没有此变压器,逆变器模块直接与负载连接.1.1逆变器部分的区别:工频机的逆变器采用的是全桥式结构(四个逆变器),逆变器工作时,其中一组桥臂的驱动频率是50HZ(即工频),配有输出变压器。
高频机的逆变器采用的是半桥式结构(两个逆变器),逆变器工作时,逆变器都是由PWM高频信号驱动,一般不配输出变压器,而是用电感线圈代替.相比较而言,工频机抗干扰能力强,过载容量大.1.2整流器部分的区别:工频机整流部分采用传统的晶闸管或二极管桥式整流,直流总线电压为310V左右,在整流部分前加入输入变压器或者大容量的电感线圈滤波.高频机整流部分采用含PFC电路的升压整流电路,直流总线电压为+410V和410V.高频机采用PFC电路提高了输入功率因数,降低了输入干扰,但控制电路比工频机复杂,可靠性低.相反工频机为了降低输入干扰,采用了增加硬件的办法,可靠性高,但是成本也高,体积大.1.3 DC/DC(即电池到直流总线电路)部分的区别:工频机DC/DC采用一个晶闸管或二极管来控制电池正极与直流总线的通断;高频机DC/DC采用BOOST开关电源电路来使电池电压转换为+410V和410V的直流总线电压工频机线路简单,只有一个晶闸管和二极管的压降(相当于电池直接连接到直流总线),电池能耗少;相反高频机线路复杂,需要在电池和直流总线之间增加高频开关电路,电池能量损耗大.2.在性能上：2.1工频机有隔离直流功能:此变压器能有效将逆变器输出的直流分量与负载隔离,很好保护负载的安全,特别对于开关类以及感性类负载时很有必要的.而高频机没有:由于没有此变压器,当UPS逆变器中点电压发生飘移时,逆变器输出的直流分量直接送给负载,对于开关类及感性类负载造成短路烧毁负载及UPS的逆变器模块.特别当UPSIGBT故障击穿时其直流母线电压直接加在负载上是非常危险的.2.2工频机有抗冲击的能力:由于变压器属于磁—电储能器件.当负载发生阶跃突变时,动态响应性能好,即抗冲击能力强.而高频机抗冲击能力弱:没有储能器件缓冲,其输出特性较软,无法抗拒负载冲击.2.3工频机纯净输出正弦波:变压器属于感性器件,与输出滤波电容组成LC低通道滤波电路,净化了UPS输出.高频机由于逆变调制频率较高,UPS输出的谐波分量较大,易造成电缆及设备发热老化.2.4工频机有效抑制零地电压:由于变压器的隔离作用,能有效抑制零地电压,保证网络数据的安全.高频机:无有效一直零地电压的能力.2.5工频机为工业机型:工频机在设计上属于工业类机型,能适应较恶劣电源环境和使用环境.高频机从设计上讲是最求低成本,其可靠性较差,应在较好的环境中使用.2.6工频机的缺点:较高频机重,由于变压器使用有色金属制造,成本比高频机高.高频机优点:重量较轻,体积小.省去了变压器,降低了制造成本.小结:工频机控制电路简洁高效,可靠性高,单体积大,重量大,噪音偏高,价格高.高频机电路稍显复杂,可靠性比工频机低,单输入功率因数高(省电),题极小,重量轻,噪音小,价格便宜.二两者之间的比较1、高频机与工频机的特点UPS按设计电路工作频率分为工频机和高频机，工频机和高频机的结构特点如下。
(1)工频机：以传统的模拟电路原理来设计，机器内部电力器件(如变压器、电感、电容器等)都较大，一般在带载较大运行时存在较小噪声，但该机型在恶劣的电网环境条件中耐抗性能较强，可靠性及稳定性均比高频机强。
(2)高频机：利用高频开关技术，高频机逆变频率一般在20kHz以上。
但高频机在恶劣的电网及环境条件下耐受能力差，较适用于电网比较稳定及灰尘较少、温/湿度合适的环境。
UPS发展的方向是高频化、小型化、智能化和绿色化。
因为小型化可以节省投资、提高效率、节约空间等。
小型化的前提是高频化，只有高频化才可实现小型化。
小型化的第一个目标就是取消输入/输出隔离变压器。
以前由于技术、器件和材料的原因，给UPS加入了输入/输出隔离变压器，使得产品笨重、性能差、耗能大而且价格贵。
后来由于新器件的问世，1980年由美国IPM公司首先推出的新方案成功地取消了输入隔离变压器，近几年由于技术的进一步发展和成熟，推出了半桥逆变器变换方案，又成功地取消了输出隔离变压器，使UPS的性能又有了很大程度的提高，这就是人们所说的高频机，它进一步使UPS缩小了体积、改善了性能、减轻了重量、提高了效率、降低了成本和提高了可靠性。
所以国际上的知名公司大都放弃了带有输出隔离变压器UPS的生产。
2、高频机与工频机比较高频机与工频机比较而言：尺寸小、重量轻、运行效率高(运行成本低)、噪声低，适合于办公场所，性价比高(同等功率下价格低)，对空间、环境影响小，相对而言，高频UPS对复印机、激光打印机和电动机引起的冲击(SPIKE)和暂态响应(TRANSIENT)易受影响，由于工频机的变压器把市电与负载隔离，在市电恶劣的环境下，工频机比高频机能提供更安全和可靠的保护，在某些场合如医疗等，要求UPS有隔离装置，因此，对工业、医疗、交通等应用，工频机是较好的选择。
两者的选择要根据用户的不同、安装环境、负载情况等条件权衡考虑。
高频机不带隔离变压器，其输出中性线存在高频电流，主要来自市电电网的谐波干扰、UPS整流器和高频逆变器脉动电流、负载的谐波干扰等，其干扰电压不仅数值高而且难以消除。
而工频机的输出地电压低，而且不存在高频分量，对于计算机网络的通信安全来讲，更加重要。
高频机输出没有变压器隔离，如果逆变功率器件发生短路，则直流母线(DCBUS)上的高直流电压直接加到负载上，这是安全隐患，而工频机则不存在此问题。
高频机与工频机性能比较的指标见下表：表1高频机与工频机性能比较的指标从以上的比对中可以清晰地看出工频机在很多方面优于高频机。
对于可靠性要求较高的一些重要、关键部位的电源保护方案还应以工频机为首选。
工频机的特点是简单，存在的问题是：1)输入输出变压器尺寸大。
2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大。
3)变压器和电感产生音频噪声。
4)对负载和市电变化的动态响应性能较差。
5)效率低。
6)输入无功率因数校正，对电网污染较严重。
7)成本高，特别对于小容量机型，无法与高频机相比。
世界知名UPS厂商在技术选型和将来发展趋势上都是以高频为绝对主力方向的，30kVA及以下的UPS都以高频机为主，这与高频机负载动态响应速度快，能量密度高，体积小，噪声小，价格低(特别是小机)有很大关系，特别是高频机可以做到输入有源功率因数校正，真正代表将来绿色电源的发展趋势。
3、电路结构工频机与高频机的概念主要是对整流部分而言，工频机是可控整流，传统技术最好可做到12相整流;而高频机的整流是二极管不控整流十IGBT的高频直流升压环节。
对逆变器而言都是IGBT的SPWM高频逆变工作方式(除早期的可控硅逆变工作模式UPS，目前已经淘汰)。
另外，工频机的输出变压器必不可少，由于其整流逆变等环节均为降压环节，因此在输出侧必须有升压变压器作为电压的调整。
而高频机由于具有DC/DC升压环节，其输出侧不必要加升压环节(升压变压器)，对于需要加装隔离变压器的现场，高频机也可按照要求加装隔离变压器选件，其作用也由原来的必要配置转变为可选配置。
UPS的电气结构所以发生了更新变化，主要是由于元器件的发展，IGBT作为UPS的主要功率元件技术更加成熟，无论从容量、结构，还是可靠性上都大大地提高了，加之UPS数字化程度不断深入促成了新一代大中型UPS的主流结构由原来的工频机转向高频机(正如当年晶闸管逆变器被大功率晶体管GTR取代，之后又被IGBT逆变器取一样)。
UPS电气结构的更新最直接的效果就是UPS主机体积的缩小，质量的减小，而更重要的是电气性能的提高。
早期大中型UPS主回路结构采用晶闸管整流将输人的交流电整为直流，蓄电池直接配置在直流母线上，当输入市电正常时，靠整流晶闸管的调节对蓄电池充电，同时为GTR或ICBT结构的桥式逆变器供电，逆变器将直流逆变为交流，最后经过输出变压器的升压及滤没提供纯正的交流输出。
从其结构中可以看出，从整流(从交流变为直流)到逆变(在从直流变为交流)的过程中，每个环节都是降压环节，在此种结构的UPS中，必须在输出侧加入升压变压器，将逆变输出的较低恒定电压升至合理的输出范围，最终提供了恒定的220V/380V输出。
目前较为先进的UPS主回路结构采用不控整流加升压环节，将交流输入通过整流桥全波整流为直流后，采用IGBT元件组成的DC/DC电路升压到一个较高的恒定直流电压，并将其作为直流母线，为蓄电池充电电路及逆变输出部分提供电能。
由于直流母线电压足够高经过IGBT高频逆变调整后，可直接得到恒定的逆变输出电压，完全可以省掉输出升压变压三为什么工频机UPS将被高频UPS代替工频机UPS和高频机UPS的一般概念：静止变换式（工频机结构UPS）技术出现在上个世纪70年代，随着IT技术的出现与发展，工频机UPS组件暴露出巨大缺陷，如体积大、重量大、功耗大和输入功率因数低等，大大影响了数据中心的可靠性，由此，新的UPS技术问世了。
为了区别传输UPS，就命名伟高频机UPS。
原来输入输出都工作在50HZ并有输出变压器的电路结构就称作工频机UPS；而新问世的输入输出电路都工作在20KHZ以上且没有输出变压器的电路结构就称为高频机UPS。
高频UPS比工频机UPS的优势：1、输入功率因数高工频机UPS一般在200KVA以下的输入电路都采用了可控硅6脉冲整流，输入功率因数不超过0.8，谐波电流有30％之大。
如前端接发电机，其容量至少要3倍于UPS功率；单相小功率UPS，发电机的容量至少要5倍。
而任何容量的高频机UPS的输入功率因数都可达到0.99直至更高，谐波电流小于5％，发电机配比可以做到1：1。
2、本身功耗小在同样指标下，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，再加上输出变压器，由于此二者的影响，使得工频机UPS的效率比高频机UPS低至少5％。
如同样是100KW的容量时，工频机每年要比高频机多消耗5万度电。
3、对外干扰小高频机UPS工作在20KHZ以上，人耳根本听不到，工作环境安静。
同时高频机UPS的输入功率因数高达0.99以上，几乎是线性，对外干扰几乎为零。
4、体积小、重量轻工频机UPS存在输出变压器和适应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重达1380Kg,而同是该品牌250KVA高频机UPS重量只有830Kg。
5、全数字技术工频机UPS最初采用是模拟技术，现在一般发展为数字与模拟相结合的技术。
