在電的領(lǐng)域內(nèi)命名的有線電和無線電,，高壓電器和低壓電器，電壓源和電流源,，交流電和直流電,，硬件和軟件，等等的命名都有其唯一性,。工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS的區(qū)分也一樣,，顧名思義，那就是以頻率不同為根據(jù)的,。就應(yīng)該從頻率的角度去看,，而不是另辟途徑。

    因?yàn)閁PS的輸入和輸出都是50Hz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)電壓,，眾所周知這沒有什么好討論的,，所以這里所討論的都是UPS內(nèi)部的工作情況。在當(dāng)代工頻機(jī)UPS中,，輸出變壓器并不是該機(jī)所必需的配套裝置,。在2008年上海國(guó)際電源論壇會(huì)議上，與會(huì)專家們也一致認(rèn)為“變壓器今后并不是電子設(shè)備的必然配套裝置”,，電子變壓器會(huì)將其替代,。但在上個(gè)世紀(jì)70至80年代，由于技術(shù)和元器件的水平還沒達(dá)到一定程度，UPS的主要器件是還靠可控硅,，這是一種半控器件,，即開通是可控的，而關(guān)斷是不可控的,，只有等到電壓過零點(diǎn)才可關(guān)斷,。因此其工作頻率受市電頻率約束，只能與市電頻率同步工作,。而且當(dāng)時(shí)的逆變器輸出也只能是單方波,。可惜的是當(dāng)時(shí)負(fù)載設(shè)備電源的輸入幾乎都有變壓器,，而UPS輸出的方波電壓平頂部分會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心飽和,，從而造成故障。所以負(fù)載對(duì)UPS的輸出要求必須是正弦波,。這樣一來,，從方波中濾出正弦波就需要龐大的LC濾波器，不但耗材驚人,，噪聲煩人,，而且效率也大幅度降低，尤其是中大功率更是如此,。

圖1 四階梯波輸出的UPS電路原理方框圖

    為此人們又為大功率設(shè)計(jì)出一種接近於正弦波的階梯波,，以減小LC濾波器的尺寸。但又出現(xiàn)了新的問題：一個(gè)階梯就是一套逆變器,，比如1972年美國(guó)總統(tǒng)尼克松訪華時(shí)帶來的UPS就是四套逆變器疊加而成的四階梯波結(jié)構(gòu),，然后再由濾波器濾出正弦波電壓，如圖1所示,。從圖中可以看出,，四階梯波的構(gòu)成就需要變壓器將其串聯(lián)起來。這里的變壓器一般是不可少的,。小功率由于造價(jià)太高,，一般還是由方波濾波后輸出。

    上世紀(jì)70年代美國(guó)庫伯博士實(shí)驗(yàn)成功了一種高頻脈寬調(diào)制（PWM）電路,，使原來龐大的線性電源起了革命性的變化,。可惜當(dāng)時(shí)晶體三極管只是低壓小功率水平,，無法被UPS采用,。一直到1980年前后高頻技術(shù)才被陸續(xù)應(yīng)用到UPS逆變器上，這時(shí)使用大功率高壓晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的逆變器調(diào)制頻率可以做到50Hz工業(yè)頻率的數(shù)百倍,，因此LC濾波器的體積也有了本質(zhì)的變化,，可以做的非常小。圖2示出了脈寬調(diào)制輸出被檢波出正弦波的情況。

圖2 當(dāng)代一般UPS的PWM輸出過程

    從該圖中可以看出,，其輸出波形已被濾波器濾出正弦波電壓,，如果電壓值合適的話就可以直接給負(fù)載使用。1998年至2001年期間,，我國(guó)進(jìn)口了一批荷蘭Victron品牌的UPS,，就是圖2的結(jié)構(gòu)，沒有輸出變壓器,。雖然由于采用了傳統(tǒng)的全橋結(jié)構(gòu)逆變器,，使得兩條輸出線都是火線，但并不妨礙負(fù)載的正常使用,，在很多用戶機(jī)器上的實(shí)際運(yùn)行中證明了這一點(diǎn)。遺憾的是：當(dāng)時(shí)有的計(jì)算機(jī)廠家不知出于什么目的,，竟提出了UPS輸出端接地的要求,，否則就不給負(fù)載計(jì)算機(jī)開機(jī)！暫不談這種要求是否值得商榷,，但為了能給用戶開機(jī),，也只好將UPS輸出的一端接地。但這樣一來,，接地以后的UPS一啟動(dòng),，逆變器就炸機(jī)。無奈只好在UPS輸出端加了一個(gè)隔離變壓器才算穩(wěn)住了局面,。換言之,，如果UPS輸出一端不接地，不用變壓器也可為計(jì)算機(jī)正常供電,，這是其一,。其二，因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)畢竟使用的都是220V,，一根火線和一根零線就足夠了,，和地線并沒有什么關(guān)系…

    80年代前后由于絕緣柵晶體管（IGBT）的出現(xiàn)，又為UPS技術(shù)的發(fā)展提供了有利條件,，在脈寬調(diào)制波形和頻率基本不做改變的情況下,，IGBT就可以順利地取代晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管。但鑒于以前的接地要求,，這個(gè)變壓器就這樣很自然地沿用下來了,，當(dāng)然這也和電池電壓不符合交流電輸出值的要求，需要變壓也有關(guān)系,。

（a）工頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路 （b）高頻機(jī)UPS輸出正弦波的原理電路

圖3 兩種UPS輸出正弦波時(shí)的電路結(jié)構(gòu)

    1980年中后期,，UPS的逆變器推出了半橋結(jié)構(gòu)電路，和多數(shù)工頻機(jī)UPS采用的全橋逆變器相比，它的兩條輸出線就是一條火線和一條零線,。這樣一來,，在滿足負(fù)載輸入接地的條件下就可以不用變壓器隔離了，如圖3的（a）和（b）所示,。如果工頻機(jī)UPS的逆變器也采用半橋結(jié)構(gòu),，也可省去了這個(gè)輸出變壓器。目前已有幾個(gè)品牌的工頻機(jī)UPS采用了半橋逆變器結(jié)構(gòu)電路而取消了輸出隔離變壓器,。

    從上面的討論可以看出,，所謂輸出隔離變壓器并不是當(dāng)代工頻機(jī)UPS必然配套的裝置，更不是工頻機(jī)UPS的什么“法寶”,，而是可有可無：用半橋逆變器就可以不要輸出變壓器,，用全橋逆變器，如果輸出值合適且不要求接地時(shí)也可不要輸出變壓器,。目前已有的工頻機(jī)型UPS就取消了輸出變壓器,。至于還有的工頻機(jī)UPS生產(chǎn)廠家繼續(xù)仍保留此裝置，那是制造廠家的考慮,。并不表示輸出變壓器就是UPS的必配裝置,。比如也有的高頻機(jī)型UPS的逆變器仍采用全橋電路結(jié)構(gòu)，后面也加了輸出變壓器,，更有的在半橋逆變器后面又加了輸出變壓器的情況,，但整流器和逆變器仍然采用了IGBT，其數(shù)千赫茲的工作頻率也沒變,，所以仍然屬于高頻機(jī)范疇,。既然輸出變壓器是當(dāng)代工頻機(jī)UPS的身外之物，再用它作為區(qū)分兩種類型UPS的標(biāo)志就不是充分的理由了,。就像用是否穿高跟鞋作為區(qū)分男性和女性的的條件一樣缺乏唯一性,。

  當(dāng)前電子技術(shù)已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，作為電子技術(shù)的能源也應(yīng)該與其適應(yīng),。高頻機(jī)UPS也已全部采用了數(shù)字技術(shù),，而工頻機(jī)UPS有不少還滯留在數(shù)字與模擬相結(jié)合的時(shí)代。真正高頻機(jī)UPS的工作頻率是20kHz以上,。因?yàn)槿硕渎牭靡姷念l率是16Hz~20kHz,，人的耳朵對(duì)20kHz和以上頻率的聲音就相應(yīng)不了啦，聽不見了,。對(duì)開關(guān)電源來說,，工作頻率越高損耗就越大，散熱就越困難,。因此目前20kHz還是一道坎,，UPS單機(jī)功率做到100kVA以上還有些困難,。但100kVA以上功率的UPS也不一定非工作在20kHz不可，比如目前已有的做到了15kHz,，只是有些聲音罷了,。

圖4 兩種負(fù)載使市電電壓波形呈現(xiàn)不同結(jié)果的情況

    但電路結(jié)構(gòu)仍可以采用IGBT整流和半橋逆變結(jié)構(gòu)，高頻機(jī)UPS的其它特點(diǎn)仍然保留下來,，照樣是一個(gè)好的方案,。即使不工作在20kHz，比如一般是5~15kHz,，仍然是50Hz工頻的100~300倍,，相對(duì)而言難道這就是高頻了。因此為了區(qū)別于20kHz,，就稱為“高頻機(jī)型”,。而工頻機(jī)UPS原來是整流器和逆變器都工作在50Hz的工頻，但后來采用IGBT后也工作在50Hz工頻的一百倍甚至200倍以上,，相比之下這也算是高頻了,。但可惜的是它的整流器可控硅器件仍工作在50Hz的工頻，也就是說這種UPS的一只腳跨進(jìn)了高頻的門坎,，而另一只腳還停留在工頻的原地,，這既不能算作“高頻機(jī)型”UPS,，也不能全算工頻機(jī),，為了區(qū)別“高頻機(jī)型”UPS，就暫稱為“工頻機(jī)型”UPS,。由此可見,，只要“工頻機(jī)型”UPS再向前跨上一步就是“高頻機(jī)型”UPS了。換言之,，只要“工頻機(jī)型”UPS的輸入整流器將半控的可控硅器件換成全控的IGBT就可以工作在高頻了,。而且這樣一來也給用戶帶來了莫大的好處，尤其對(duì)大功率來說,，整流器和逆變器都是上百公斤的大家伙,，作為備件而言實(shí)在是令人卻步。而整流器改用IGBT后,，就可和逆變器共用一套備件,。

    而且取消UPS中的輸出電磁變壓器，代之以電子變壓器,，效率可以提高幾個(gè)百分點(diǎn),，從而也提高了設(shè)備本身的可靠性。因?yàn)樾实奶岣咭馕吨牡慕档?，從而降低了機(jī)內(nèi)溫度,。因?yàn)闄C(jī)器在高溫下容易出故障,，根據(jù)阿雷紐斯定律：溫度每升高10°C，電子元器件（包括電池）的壽命就減半,。所以提高效率就意味著提高了可靠性,。另一方面，可控硅整流器電路還是破壞輸入市電正弦電壓波形的罪魁禍?zhǔn)祝翰徽搹碾娋W(wǎng)來的電壓波形多么好,，到了六脈沖整流UPS前面就被破壞了,，如圖4（b）所示。將輸入功率因數(shù)降低到0.8左右,。而上述電壓加到線性負(fù)載上的時(shí)侯,，線性負(fù)載的輸入功率因數(shù)就是1，如圖4（a）所示,。這就說明六脈沖整流輸入的UPS是非線性負(fù)載,，會(huì)使市電輸入電壓波形失真。有的誤認(rèn)為這種失真是市電輸入本身的問題,，此論不敢茍同,。為什么同樣的市電電壓波形帶電爐子之類的線性負(fù)載時(shí)就不失真，而帶六脈沖整流器UPS時(shí)就失真了呢,？這能賴電網(wǎng)嗎,？不言而喻，這就是可控硅整流器破壞的結(jié)果,。0.8的輸入功率因數(shù)是不符合國(guó)家對(duì)負(fù)載端輸入功率因數(shù)0.9的要求的,。為了將輸入功率因數(shù)提高到0.95以上，就必須附加許多環(huán)節(jié)而構(gòu)成十二脈沖整流,。比如某品牌300kVA的UPS, 六脈沖整流時(shí)的重量是1.6噸,，而構(gòu)成十二脈沖整流后的重量就一下子增加到2.2噸，增加了600公斤,！其整機(jī)效率也很難達(dá)到90%,。

（a）某品牌300kVA的高頻機(jī)型UPS外形圖 （b）某品牌300kVA的工頻機(jī)型UPS外形圖

圖5 300kVA的高頻機(jī)型UPS和工頻機(jī)型UPS的外形

    而某品牌同樣是300kVA的高頻機(jī)型UPS，其總重量才0.83噸,，而且輸入功率因數(shù)在0.99以上,，并且其整機(jī)效率也可達(dá)95%以上。這兩種UPS的外形圖如圖5（a）和（b）所示,。又比如同樣是300kW的UPS,，高頻機(jī)型UPS就比工頻機(jī)型UPS每年節(jié)約150,000度電，這在當(dāng)今已將節(jié)能減排作為國(guó)策的時(shí)代又是多么可貴的貢獻(xiàn)??！

    據(jù)初略估計(jì)，目前大約有200萬臺(tái)服務(wù)器在24h運(yùn)行,，以每臺(tái)平均功耗400W計(jì),，就是800,000kW,，需2000臺(tái)400kVA（按kVA= kW計(jì)）UPS，在輸入功率因數(shù)³0.95的情況下,，某400kVA工頻機(jī) UPS重約2.3噸,，而某高頻機(jī)型UPS約重900kg，每臺(tái)相差約1.4噸,，2000臺(tái)工頻機(jī) UPS就比高頻機(jī)型UPS多出2800噸器材,！而且這些器材都是貴重物品，比如接插件和開關(guān)觸點(diǎn)上的鍍金和鍍銀,，半導(dǎo)體器件的稀土元素硅和鍺,，變壓器的高純度銅和矽鋼片，開關(guān)用的特種不銹鋼材,，電纜用的銅和鋁,，電纜護(hù)套用的橡膠和高級(jí)塑料，機(jī)架用的高標(biāo)號(hào)的鋼…哪一種都不是輕易獲得的,。如果將這些節(jié)約下來的器材再移作它用,，又會(huì)創(chuàng)造多么大的價(jià)值！