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高频UPS和工频UPS的区别是什么?

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牧羊人·90.00

2016-07-10提问

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1

工频机即以50Hz交流电为高压发生器电源的传统X线检查设备。我们知道,X线机(或称为X线检查设备)的组成可以大致分为X线发生器(X线源)和辅助设备两部分。下面的讨论我们将不加区别地将X线机和X线发生器混为一谈。 
工频X线机的高压电源的次级大致有单相自整流、单相半波整流、单相全波整流、三相全波整流、三相十二脉冲(12拍)等形式。整流形式不同,施加于X线球管两端的电压脉动系数(纹波系数)差别十分大。其中单相半波整流(含自整流)输出的电压纹波系数最大(100%),而12拍最小(3.4%)。

我们知道,如果施加于X线管两端的电压随时间做从零至最高值做连续变化,则在一个变化周期中,只有电压峰值附近的一小段电压值加速X线管灯系发射出来的自由电子才能够获得我们在机器上预置的能量(即kVp),这样产生的X线光子才有可能对摄影有用,其余时间产生的X线光子能量都大大低于预置能量。这样的X线光子对于我们的摄影目的毫无帮助,徒增加病人的吸收剂量而已。

中(高)频X线发生器的工作过程如下:50赫兹交流电源经过二极管整流、电容器平滑为恒定直流电压后,经过逆变器转换成具有一定频率的方波电压,该方波电压经变压器升压,再经整流、滤波,变为平滑的直流高压后,施加于X线管两端。与此同时,采样电路对管电压进行采样,并将采样值送到比较器,与预置的管电压值进行比较。如果采样值低于预置值,则调节器发出调节信号,升高逆变器的频率,或增加逆变器输出的脉冲宽度,直到从实际的管电压采样值与预置值相等为止。反之,若采样值高于预置值,则调节电路降低逆变器的工作频率或减少脉冲宽度,直到采样值与预置值相等。同理,对管电流也采用同样的方法进行调节与控制。


下面我们从不同的角度来谈谈工频X线机和中(高)频X线机之间的差别。
1、 对曝光参数(KV,mA,时间或mAS)控制的精度 工频X线机的曝光控制精度根据整流方式不同而差别很大。中(高)频X线发生器采用的是电压预置,反馈调节的方法,控制精度高。这样,可以大大减少X线光子束中的软射线成分,降低病人的辐射剂量,提高曝光重复性,从而提高X线照片质量。其次,也提高了X线管的输出效率。这一点从上面的示意图可以直观地看出;
2、 结构简单 由于中高频X线发生器的kV和mA值采用了纯电子方式分别预置、反馈调节的方式,没有任何机械旋钮和开关, 省去了kV补偿电路和空间电荷补偿电路;
3、 便于计算机控制,自动化程度高 由于中高频X线发生器采用了纯电子的控制与调节方式,没有机械伺服机构,便于计算机控制,提高自动化程度;
4、 因为没有机械接点和旋钮,不仅响应速度快,输出参数精度高,而且可以在曝光期间对kV和mA进行调整;
5、由于采用了储能元件,对电源的供电要求大大降低,甚至可以利用直流电直接供电(大型工频X线检查设备往往需要专线供电);
6、由于频率高,根据变压器方程,可以使得高压变压器的体积大大缩小,便于大功率(大容量)X线发生器的小型化或微型化;
7、由于变压器体积小,不仅节省了制作高压发生器所需要的铁芯和铜线,而且也减少了高压发生器的铜耗与铁耗
由于单相工频X线发生器产生的X线束含有的软射线成分多,病人吸收的剂量大,照片质量不易得到保障,所以欧美等发达国家已经明令禁止生产。而工频三相十二脉冲X线发生器则有体积庞大,结构复杂,对电源供电要求高,输出参数控制精度低,自动化程度低等缺陷, 国际著名厂商也不再生产这类X线发生器了。

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  刘小康·60.00

2016-09-06回答

2

UPS按设计电路工作频率来分,可分为工频机和高频机。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,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。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的运行。因此,体积大大缩小,重量大大降低,制造成本低,售价相对低。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。

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)、噪音低,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,对市电恶劣的环境下,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。两者的选择要根据客户的不同、安装环境、负载情况等条件权衡考虑。

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  蒋应伟·20.00

2016-09-06回答

3

目前,UPS通常分为工频机结构UPS和和高频机结构UPS两种。以下就这两种UPS的定义和区别做一简单介绍。

 

1.工频机结构UPS与高频机结构UPS的定义

 

工频机结构UPS和高频机结构UPS是按其设计电路工作频率来区分的。工频机结构UPS是以传统的模拟电路原理设计,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

 

而高频机结构UPS通常由IGBT高频整流器、电池变换器、逆变器和旁路组成。IGBT可以通过控制加在门极的驱动来控制其开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几k到几十kHz,甚至高达上百kHz,远远高于工频机,因此称为高频UPS

 

2.工频机结构UPS与高频机结构UPS的区别

 

(1)电路结构的区别

 

在工频机结构UPS电路中,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,因此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。

 

相比而言,高频机结构UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为800V左右,如果电池直接挂接母线,所需要的标配电池节数达到67节,这样给实际应用带来极大的限制。因此一般高频机结构UPS会单独配置一个电池变换器,市电正常的时候电池变换器把800V的母线电压降压到电池组电压;市电故障或超限时,电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。由于高频机母线电压为800V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。因此,隔离变压器是工频机与高频机在组成上的主要区别。

 

工频机结构UPS都有输出变压器,在多机并联时就会出现多个变压器的并联。变压器的并联是电力行业尽量避免的情况,因为变压器并联时的环流不可避免,环流的长期存在将导致设备寿命缩短。而高频机结构UPS因没有输出变压器,所以几乎没有环流。

 

有的用户认为变压器可以起到具有抗干扰和缓冲负载突变的作用,其实并非如此。UPS负载的用电要求必须有零线,如果没有工频结构UPS没有输出隔离变压器,将一根火线硬性接零线,就会导致UPS的工作不正常。因此说,输出隔离变压器是工频机结构UPS必不可少的为了变压和隔离零线的目的而接入的一部分,而不具备为用户负载隔离干扰和缓冲负载突变的功能。

 

(2)性能指标的区别

 

能耗是各行业数据中心和机房面临的难题,因此节能减排的负载和供电设备,而当前的工频机结构UPS和高频机结构UPS在节能减排上主要有以下区别:

 

①输入功率因数


中大功率的三相工频机结构UPS6脉冲整流的情况下输入功率因数约为0.8,不但对外有干扰,而且要求前面的发电机功率要3倍于UPS容量,即使在12脉冲整流选配谐波滤波器的条件下输入功率因数也低于0.95,而且增加设备量,加大了用户的投资成本和占地面积。而高频机结构UPS在不加任何外来设备的情况下输入功率因数大于0.99,从理论上说,后备发电机容量可与UPS一致,节省了投资和占地面积。

 

②能量损耗


在相同输入功率因数的前提下,二者的效率相差约5%,比如同为400kVAUPS为例,工频机结构UPS每年要比高频机结构UPS多消耗近250万度电。

 

目前容量较大的机房大都采用了400kVA工频机结构UPS,配12脉冲整流和谐波滤波器,负载功率因数为0.8。表1是一家金融单位5000kVA的数据中心在对400kVA工频机结构UPS600kVA高频机结构UPS(负载功率因数0.9)进行选择时的比较。如表1所示。

 

——采用400kVA工频机结构UPS产品时的净占地面积约43平方米,而采用600kVA高频机结构UPS的净占地面积约23平方米。

 

——采用400kVA工频机结构UPS产品时的总重量大于50吨,而采用600kVA高频机结构UPS的总重量还不足15吨。

 

——采用600kVA高频机结构UPS比采用400kVA工频机结构UPS每年节约250万度电。

 

据测算,节约250万度电相当于减少了1960吨二氧化碳的排放量。

 

③对外干扰

 

UPS的对外干扰一般有两种,一种是听得到的机械噪声,一种是听不到的电噪声,工频机UPS会产生这两种噪声,电噪声会影响机器的稳定度,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。又由于一般的高频机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。

 

④体积和重量

 

工频机UPS由于配备输出变压器以及50Hz的电感电容等低频器件,使得体积、重量都很大。高频机在体积和重量上与之相比具有明显的优势。

 

⑤采用技术

 

工频机UPS早期采用的是模拟技术,现在一般发展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,可靠性很高。

 

3.高频机结构UPS的技术发展和进步

 

目前,数据中心供电系统除了注重可靠性、可用性以外,节能减排是数据中心设备面临的重大问题,而作为为负载提供不间断电源的UPS供电系统,其自身供电效率的高低也部分决定了数据中心能耗的高低。一些用户在电子技术和设备技术突飞猛进的今天仍沿用以前的陈旧观念,认为工频机结构UPS是成熟可靠的,即使市场已出现高频机结构UPS的技术和产品,也认为高频机是新技术、新产品,在技术上不成熟。其实高频机结构(IGBT)UPS早在1998年就已问世,而且容量在当时就已做到了480kVA,并经过了十多年的市场验证。

 

①单机容量

 

当前衡量UPS的技术高低和成熟水平的一个重要指标就是看其容量多大,这不但反映一个厂家的水平,也反映出这个厂家的技术实力和市场规模。IGBTUPS中的应用最早只限于逆变器。这主要是因为IGBT的电流虽然做得比较大,但耐压等级尚不足对付变化很大的电压范围。经过这十多年的发展,IGBT制造技术也有了长足的进步,几经改进,已经达到了用于UPS整流器的条件。目前已有一些厂家将IGBT整流的高频机结构UPS容量做到了200kVA左右。与可控硅相比IGBT的电流容量与耐压还是有些距离,所以器件的并联就成了关键。但任何问题都是可以解决的,这其中就不乏佼佼者,比如少数厂家就将高频机结构UPS容量做到了500kVA,有的厂家更是突破了并联的禁区,一举将单机容量做到了1200kVA,覆盖了工频机结构UPS当前达到的全部容量水平。到此就完成了UPS全部IGBT化、高频化的进程。

 

②模块化

 

所谓“N+X”模块化冗余UPS不但可以冗余并联、热插拔,而且必须是在一个机箱中至少有两个相同规格容量的单机,否则就和以往的多机UPS并联没有区别。一个中等规模的机房既可采用模块化UPS集中供电,又可以采用双总线方式供电,还可多机并联。目前模块化UPS产品几乎都采用高频化结构技术。

 

4、结语

 

综上所述,从性能和节能方面来讲,传统的UPS系统中由于采用工频逆变器,逆变效率不高,并配有工频变压器,体积庞大笨重、能耗高和成本高,已逐渐不适应目前节能减排的需求。而全IGBT高频机结构UPS历经10多年的发展,具有采用模块化设计,尺寸小、重量轻、扩容方便、运行效率高、噪音低、性价比高等特点,其技术和产品趋于成熟。随着半导体技术的日益发展,高频UPS在技术和市场方面的优势将越来越明显。

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2016-09-06回答

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