1.1工频机UPS与高频机UPS的含义

　　当前的数据中心供电领域中是一个工频机UPS逐步引退和高频机UPS逐渐登上历史舞台的时代。从历史的发展来看，在新旧交替过程中必然有一场“战争”或争论，只有通过“战争”或争论才能达到先进代替落后的目的。这样说也许有的人会说：难道工频机UPS就是那么落后吗？

　　这要从历史发展的眼光来看，在上世纪90年代前，工频机UPS是先进的、是那个时代的主流产品，也曾为IT技术的发展立下了汗马功劳。但任何事物都不是十全十美的，这就意味着它的寿命不是永恒的。随着时代的发展和时代对其功能的新要求的不断增加，原来的东西必须做适合时代的更改和完善，一旦跟不上时代的脚步，必然被时代所抛弃，这就是历史发展的必然规律。当前的工频机UPS就正处于这样一个时期，必须跟上时代的发展步伐。否则，就会被淘汰。

　　高频机UPS是相对于传统的工频机UPS而言，在没有标准规定的情况下用这样称呼以示区别。所谓工频机UPS是指以前传统的输入输出电路都工作在50Hz的工业频率，由于新器件的出现，其逆变器已是“高频”脉宽调制方式，尽管如此仍未脱出原来电路的结构方式：可控硅整流和全桥逆变器+输出变压器，所以仍属于工频机UPS的范畴。

　　所谓高频机UPS是指其输入和输出电路都工作在远远高于50Hz的高频，真正的高频机UPS含义是输入和输出电路都工作在20kHz或以上的高频，其结构特点是输入电路摈弃了可控硅整流器而代之以IGBT，逆变器由全桥而改为半桥结构，省去了输出变压器。高频机UPS的工作频率为什么以 20kHz为界，这是因为20kHz已超出人的听觉范围，是一种“无声”性的产品。由于目前的一些技术原因，工作在20kHz或以上的高频机UPS容量还只能做到100kVA以下，所以大容量的高频机UPS都采用的是高频机UPS的电路结构，除了频率不同之外，其他都一样;其效果除了一个有声音一个没声音之外，其他指标也都一样。

　　1.2从旋转发电机式UPS到静止变换式高频机UPS的发展

　　UPS是伴随着计算机的问世而出现的。早期的计算机不像现在使用这样方便，一个数据的输入要经过几道手续：首先要将数据分解成0、1的数码，接着要用穿孔机将数码以打孔的形式穿在纸带上;然后将纸带放到光电机上将数据输入到计算机里。由于这些输入过程都是机械的运转，不但手续麻烦，而且费时费力。一个大的数学题目，比如地质资料则需要数小时才可输入完毕。

　　可想而知，如果在计算机运算过程中一旦停电，整个过程必须再重复一遍，这会带来多大的损失。因此，为了解决这个问题，当时就提出希望在市电停电时能马上给计算机一个信号，同时供电电源也不要马上断电，至少要坚持5s，使计算机能把当前的运算结果保存起来，等供电恢复时可以接着运算下去。这就是不间断电源(UPS)的出现背景，所以说UPS和计算机是一对孪生兄弟。

　　早期的UPS是一台交流发电机配上一个几吨重的大飞轮。比如1967年我国进口英国的一台1900计算机就配带了一台20kVA的UPS，这是一台在转子轴上安装了一个5吨重飞轮的电动交流发电机，如图1所示。在市电正常供电时，飞轮与发电机转子同速旋转市电断电时，借助飞轮的惯性带动发电机转子再继续一个短暂的供电时间。可以看出，飞轮越重，后备供电的时间越长。

　　因此这种不间断供电的方式耗材多，效率低，后备时间有限。尤其是起动时间既长又耗费电力，是使用者无可奈何，不得已才设计出的后备供电方案。不过这种供电结构方式也有其很大的优点，那就是抗干扰能力特强，莫说是尖峰、噪声、雷电之类的短暂干扰无法侵入，即使是几秒钟的电压跌落和上冲也不能反应到计算机上。

　　为了有较长的后备时间，就采用了由直流电动机带动交流发电机的方式，即将交流市电变成直流给电池组和直流电动机供电，一旦市电断电就由电池组向直流电动机供电，使其继续带动交流发电机不间断供电。这种供电结构的优点和飞轮式发电UPS有着同样的优点。可以看出，在这里后备发电的时间长短取决于电池组的储能情况，也就是电池组的容量。该时期的后备发电属于旋转发电机式UPS，是动态后备方式，如图2所示。此时期由于电池组电压在大功率范围内稳定会带来很大麻烦，因为二极管整流输出电压是随市电电压而浮动的，若给电动机稳定的安全工作电压，必须要庞大的直流稳压器，这在当时的技术条件下是很困难的，当时的直流稳压器都是线性的，效率相当低。所以功率不宜做大。

　　60年后期可控硅的出现推进了UPS技术的发展，大功率可控整流器可以使电池输入电压稳定，交流输出电压也可以用可控硅构成的逆变器产生。此时就出现了另一支由动态变换转向静止变换的UPS。此时的电路特点是：主电路全可控硅化，输入和输出都有变压器，如图3所示。1973年尼克松访华带来的两台Exide公司的UPS就是这种典型的结构。但可控硅逆变器的输出只能是方波，所以逆变器后面要配置庞大而笨重的无源滤波器方可得到类似市电的正弦波。为了减小滤波器的累赘，也有的用几个逆变器输出波形串联以得到接近正弦波的阶梯波，但同样增加了UPS的造价和功耗。

　　高压可控硅与大功率晶体管的问世又使UPS技术向前迈进了一步，IPM公司在1980年左右率先取消了输入变压器，使UPS功耗有所减小。可控硅逆变器用晶体管代替，于是就出现了脉宽调制技术，由于将工作频率提高到几千赫兹，使得后面的无源滤波器大幅度减小。这样一来是原来80%左右的系统效率几乎提高了10个百分点。但由于晶体三极管的二次击穿效应为机器带来了不可靠因素，恰逢功率MOS管也已问世，此一阶段两种器件都在使用，不过由于功率 MOS管压降较大也难以做到大功率，为此晶体管与功率MOS管相结合的IGBT绝缘栅晶体管的出现解决了上述难题，很快就被用在了逆变器上。到此为止，基本定型了迄今为止仍在沿用的所谓工频机结构UPS技术，由于此时逆变器仍在使用全桥电路，输出端都是火线，所以必须要加输出变压器，使其产生零线(中线)。

　　由于IT技术的迅速发展与普及，大型计算机房开始建立，用电量大幅度增加，于是就发现了两个问题：机房的输入功率因数受到了供电局的质疑，为了保证用电效果供电局一般要求用户的输入功率因数不能低于0.9，而工频机结构UPS的输入功率因数都在0.8以下;由于用电量的增加，效率显得格外重要，大型机房每年的运行费用高得惊人，而工频机结构UPS得实际系统效率大都在90%以下。这种现状如不改变将会给用户带来很大的损失。

　　1.3这里就出现了一个这样的问题：为什么逆变器的器件更新很快，而整流器器件一直没变动呢？

　　一般定型了的生产线尤其是大公司是不会轻易变动的，定型了的电路也不会轻易改动。但由于下述两个原因所迫，不得不及时改进。

　　1)输出环节的问题不论是什么年代，笨重庞大的体积总是不招人喜欢的，而且耗能相当严重。开始UPS的输出方波要变成正弦波是何其困难!又是庞大的变压器，又是庞大的滤波器或者是庞大的逆变器，等等。所以这一部分就成了急需改进的关键，一有机会决不放过。这也就成了逆变器更新换代的动力。

　　2)改进的难度和复杂性问题

　　高频机及频机结构UPS的技术出现为当今高密度信息机房的建立与普及铺平了道路。首先这种UPS的输入功率因数几乎是1，整机效率半载时就可达到95%，仅这两项指标就是传统型工频机结构UPS所望尘莫及的，尤其是当代数据中心为了节能减排提出了能效比(PUE)在1.7以下的要求，更是传统型工频机结构UPS无法达到的指标。

　　2工频机结构UPS中输出变压器的真正作用

　　2.1工频机结构UPS中输出变压器是逆变器的必备环节

　　前面所述，由于工频机结构UPS的逆变器采用的是如图4所示的全桥逆变器电路。从图中可

　　以看出，逆变器输出的三条都是火线，没有中线。而用户实际用的是具有中线的三相四线制电压3

　　380V/220V，所以必须用加变压器的办法进行D-Y转换(三角形变星形)后变成三相四线制才能使用。这就是输出变压器的由来。

　　2.2工频机UPS输出变压器的真正作用

　　由于工频机UPS在高频机UPS面前顿失光彩，为了能暂时维持下去，就找了一些能“光环式”的理由。就根据高频机UPS没有输出变压器而编造出一些莫须有的功能：

　　◆能抗干扰

　　◆能缓冲负载的突然变化和抗输出端短路

　　◆能隔直流，一旦逆变器故障是直流不能加到负载机器上去

　　◆能提高UPS整个系统的可靠性

　　◆能适应大范围的电网变化和冲击

　　利用一些用户以往对工频机UPS的理解和对高频机UPS的生疏，就相信了这些说法，有的甚至在招标书上就明确提出“要带输出隔离变压器的工频机 UPS”。岂不知这些都不是电源变压器的真正作用，下面就来进行具体分析。图5(a)是单相工频机UPS无输出变压器时且与输入同步时的电流路径图。在输出电压与输入同步锁相情况下，逆变器开关管的开启与关闭是按照同步锁相情况下按序通断的。比如此时L为正半波，电流依序流过用园虚线圈圈定的两个整流二极管、两个逆变器功率管和负载，这是UPS正常工作模式。如果此时的输出电压正好是负载的匹配电压，比如是220V，那么负载即可正常工作。但遗憾的是有些计算机厂家规定其设备输入电压必须接地，否则就不开机。无奈，只好将输出一端无输入中线相连，由于我国用电制式是在变电站已将中线与地线相连，因此在这里也就相当于接地了，如图5(b)所示。从头中可以看出，此时的电流仅仅流过一个整流二极管、一个逆变器功率管和负载。即UPS只有一半器件在工作，这已不是正常电源了。不仅如此，最可拍的是输出电压与输入不是同步锁相情况，这时逆变器功率管的通断是随机的，可不巧的是，100次开机几乎就有100次不同步，如图6所示的情况。此时电流的路径仅仅流过用园虚线圈圈定的以一个整流二极管和一个逆变器功率管，甚至没有经过负载。换言之，220V电压直接加载了开通的两只管子上，这已是短路情况，强大的电流会将器件一举击穿，严重的情况下会发生爆炸。在2000年前后我国进口了一VictronUPS，就是这种没有输出变压器的全桥逆变电路，直接的接用电设备可正常供电，但输出端只要有一端接地，一启动就爆炸，无一例外。无奈就是在逆变器输出端外接了一个输出变压器问题就解决了。如图7所示，就是单相工频机UPS加输出变压器与输入同步时的电流路径图。可以看出，在变压器的次级引接地线，变压器初级的电流路径就又恢复到了图5(a)的情况。即这个变压器使全桥逆变器工作电路恢复了正常。

　　所以，工频机UPS不论是单相还是三相变压器的第一个作用就是产生中性线或隔离接地点。第二个作用就是变压，这显而易见，UPS逆变器的任务是将前面的直流电压逆变成交流。不同厂家、不同容量的直流电压是不同的，但必须逆变成统一的交流电压值，在我们国内就是3×380V/220V或单相 220V，在全桥逆变器的情况下最简单的方法就是加变压器。

　　2.3期望而得不到的虚拟功能

　　2.3.1变压器可以抗干扰和缓冲包括短路在内的电流冲击吗？

　　对于上述的问题，回答是否定的。UPS的一个重要性能指标就是输出端的电压动态响应，因为UPS是个电压源，电压源的特点是：在电源的能力范围内，不论电流如何变化，电压必须保持稳定在指定范围内，如图8电压线上下的点划线所示。如果在时间t1负载需要一个大电流脉冲，这是电源就必须及时地供出，如果给缓冲到时间t2给出，并且减小了电流幅度，负载机器必然不能正常工作。这样的UPS也就没有用处了。这里的误区就是把变压器当作了电抗器或扼流圈。变压器虽然是非线性器件，但在这里必须工作在特性曲线的线性区，才能保证UPS的良好性能。所以靠变压器缓冲负载端的短路电流更是奇想。