| 摘要：在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，作為電子產(chǎn)品的UPS供電系統(tǒng)也無(wú)一例外地健步跟上，屬于這一類的就有在線式電路結(jié)構(gòu)有工頻機(jī)結(jié)構(gòu)和高頻機(jī)結(jié)構(gòu)之分，在線式結(jié)構(gòu)又分為傳統(tǒng)整流逆變式和Delta變換式；作為逆變器的電路又分為全橋逆變和半橋逆變，由于半橋逆變技術(shù)的出現(xiàn)就省掉了笨重耗能的電磁變壓器，使效率大幅度提高。這在中大功率領(lǐng)域是一件很有意義的貢獻(xiàn)。 |
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一、概述
在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，作為電子產(chǎn)品的UPS供電系統(tǒng)也無(wú)一例外地健步跟上，屬于這一類的就有在線式電路結(jié)構(gòu)有工頻機(jī)結(jié)構(gòu)和高頻機(jī)結(jié)構(gòu)之分，在線式結(jié)構(gòu)又分為傳統(tǒng)整流逆變式和Delta變換式;作為逆變器的電路又分為全橋逆變和半橋逆變，由于半橋逆變技術(shù)的出現(xiàn)就省掉了笨重耗能的電磁變壓器，使效率大幅度提高。這在中大功率領(lǐng)域是一件很有意義的貢獻(xiàn)。
一般在小功率領(lǐng)域中的工頻機(jī)結(jié)構(gòu)電路效率就很低了。所以目前的小功率UPS大都選用了高頻機(jī)結(jié)構(gòu)。但很少有人注意到效率更高的子在線互動(dòng)式電路。
二、在線互動(dòng)式UPS的定義及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
在線互動(dòng)式UPS產(chǎn)品是上個(gè)世紀(jì)九十年代中期進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，不到五年時(shí)間其銷量就躍居全國(guó)第一，看起來(lái)這是一個(gè)不可思議的奇跡。實(shí)際上是它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)贏得了用戶的青睞，那即是節(jié)能。
在線互動(dòng)式UPS的技術(shù)特點(diǎn)就在于它的“互動(dòng)”(interactive)。這種電路結(jié)構(gòu)完全不同于傳統(tǒng)意義上的雙變換結(jié)構(gòu)。當(dāng)然這種電路結(jié)構(gòu)也是雙變換，但它的工作原理和其它UPS有所不同，所以一般都不能給出中肯的定義。其原因就是因?yàn)樗仨氂袃蓚€(gè)輸入電壓，因?yàn)椤盎?dòng)”(interactive)就是交叉的意思，一個(gè)電壓如何交叉?所以互動(dòng)的真正含義應(yīng)該是：通過(guò)兩個(gè)輸入電壓的加減或交叉供電使輸出電壓達(dá)到一定穩(wěn)定度的電源。這一點(diǎn)是其它UPS電路結(jié)構(gòu)所不具備的，原因是它們都只有一個(gè)輸入電壓，如圖1所示的兩種形式的電路都是只有一個(gè)輸入電壓(包括后備式UPS)。
圖1 兩種在線式UPS主電路結(jié)構(gòu)方框圖
三、在線互動(dòng)式UPS的工作原理
1、雙電源輸入的供電效果
圖2 兩股輸入電壓輸入電路結(jié)構(gòu)方框圖
讀者一定會(huì)有這樣一個(gè)問(wèn)題，市電只有一個(gè)，那么第二個(gè)電壓從哪里來(lái)?這就是互動(dòng)電源的不同之處。原始設(shè)計(jì)的在線互動(dòng)式電路是采用了一個(gè)雙向變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)雙變換功能。就是這個(gè)雙向變換器產(chǎn)生出25V的第二個(gè)和市電同頻同相的正弦波電壓，這就是補(bǔ)償繞組上的電壓。所以叫在線互動(dòng)式其原因之一就是當(dāng)市電正常供電時(shí)UPS輸出為正弦波，如圖2(a)所示;當(dāng)市電異常改由UPS逆變器供電時(shí)輸出仍為正弦波如圖2(b)所示。第二個(gè)原因就是轉(zhuǎn)換時(shí)間，當(dāng)市電電壓異常轉(zhuǎn)為UPS供電時(shí)這中間的間隔時(shí)間只有2~4ms，有的擔(dān)心2~4ms斷電時(shí)間會(huì)使機(jī)器重起或停機(jī)。實(shí)際上這種擔(dān)心大可不必，根據(jù)幾個(gè)主要IT制造商實(shí)驗(yàn)，當(dāng)市電斷電時(shí)IT本上電源的儲(chǔ)能能保證農(nóng)夫和工作50~60ms，在國(guó)內(nèi)某鐵路研究所也有停電35ms時(shí)IT正常運(yùn)行的實(shí)例。所以沒有再必要花大力氣去縮短這個(gè)時(shí)間。所以說(shuō)在線互動(dòng)式UPS是后備式的供電方式在線式的效果。
2、在線互動(dòng)式UPS的工作原理
圖3 一種在線互動(dòng)式UPS電路原理結(jié)構(gòu)圖
圖3所示是一種原始在線互動(dòng)式UPS電路原理結(jié)構(gòu)圖。第一個(gè)輸入電壓ULN(INPUT)就是市電電壓，第二個(gè)輸入電壓就是補(bǔ)償繞組Boost/trim，上面電壓一般為25V。當(dāng)輸入電壓ULN=220V時(shí)，繼電器RY4，RY5和RY1接通，這時(shí)輸入等于輸出;若輸入電壓下降到195V，繼電器RY5、RY4和RY1的狀態(tài)不變，只是將RY2的com與no接通。這時(shí)的輸出電壓就等于輸入電壓195V與25Vab電壓相加，又恢復(fù)到220V。這時(shí)如果輸入電壓上升到245V，繼電器RY2的com與no斷開又恢復(fù)到RY4，RY5和RY1接通狀態(tài);如果此時(shí)輸入電壓繼續(xù)上升到245V，這時(shí)繼電器RY4，RY5和RY1的狀態(tài)不變，只需將繼電器RY3的com與no接通，使繞組電壓與輸入電壓反向。這時(shí)就變成245V輸入電壓減去25Vba，使輸出又回到220V。就這樣通過(guò)輸入電壓和繞組電壓的加減使輸出電壓達(dá)到一定的穩(wěn)定度。當(dāng)然，在輸出端還有一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，使輸出電壓具有清潔的正弦波形。
圖4 兩個(gè)電壓交叉供電式在線互動(dòng)式UPS掉路結(jié)構(gòu)原理方框圖
圖4所示的電路是兩個(gè)電壓交叉供電模式的在線互動(dòng)式。這里的例子是5kVA，電路結(jié)構(gòu)用的是一個(gè)帶抽頭的輸出變壓器，抽頭的換接是通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)抽頭電壓是5V，使輸出電壓按5V的節(jié)奏變化，所以電壓的變化就比較平穩(wěn)些。當(dāng)輸入電壓變化到5V時(shí)就要進(jìn)行抽頭換接，由于繼電器比較大，從一個(gè)抽頭到另一個(gè)抽頭的換接時(shí)間較長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)間空缺就有雙向變換器產(chǎn)生的電壓來(lái)填補(bǔ)，待抽頭換接完畢，雙向變換器就停止工作，仍改由市電供電。這就是兩個(gè)電源交叉供電的過(guò)程。
四、在線互動(dòng)式UPS的前景
前面討論了在線互動(dòng)式UPS的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，可以看出這種電路是后備式的工作方式在線的效果。也就是說(shuō)這種電路節(jié)能，其整機(jī)效率都在95%以上，比一般小功率在線式UPS高10%以上，這正好符合了節(jié)能減排的國(guó)策，從大氣候上說(shuō)這是“天時(shí)”。也許有的擔(dān)心這種產(chǎn)品的輸出電壓穩(wěn)定性不然普通在線式UPS那么精細(xì)，實(shí)際上當(dāng)前一般負(fù)載的自備電源都是脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電路，這種電路多輸入電壓的范圍適應(yīng)性很強(qiáng)，都在±30%以上。由于體積小可以放在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，可以用在計(jì)算機(jī)房、一體化數(shù)據(jù)中心和基站，其外形如圖4所示。而小功率UPS的用戶又遍布各地，甚至有好多地方已經(jīng)入家庭，這是一個(gè)潛在的“地利”條件。最值得注意的是這種在線互動(dòng)式UPS產(chǎn)品具有多種功能，比如它的功耗很低就具備了最佳可靠性，效率可達(dá)到99%，這樣即節(jié)省電費(fèi)也節(jié)省了制冷費(fèi)用。具有溫度補(bǔ)償?shù)碾姵爻潆娖鳎娱L(zhǎng)了電池的使用壽命，并具有精確計(jì)算電池更換時(shí)間的功能。并且本身就就被自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)(AVR)功能，在很大的輸入電壓范圍內(nèi)不需要轉(zhuǎn)到電池供電。故障時(shí)有多種告警方式：除現(xiàn)場(chǎng)告警外還可遠(yuǎn)程通知，比如手機(jī)信號(hào)，等等 。這些功能插件都可根據(jù)需要放入機(jī)器的智能插槽內(nèi)，如圖5所示是施耐德的SURT+ Smart 4.5G + Mini-ISX和碩博的Cyberpower多款產(chǎn)品中的一款產(chǎn)品。
圖5 機(jī)架式在線互動(dòng)式UPS的外形
由于這種電路技術(shù)功能強(qiáng)、人性化程度高，再加之比在線式UPS價(jià)格低和漂亮的外形，給用戶帶來(lái)了不少方便和美感，這又是“人和”的潛在條件。既然天時(shí)、地利、人和三大成功條件都具備，其前景無(wú)疑是光明的。目前的情況是一般用戶對(duì)這種技術(shù)和產(chǎn)品一是不甚了解，二是制造商和推銷商對(duì)該產(chǎn)品的宣傳力度尚淺。這類產(chǎn)品尤其是在一些歐美國(guó)家已是社會(huì)和家庭的通用產(chǎn)品。只要用戶一旦了解到這種產(chǎn)品的優(yōu)越之處就會(huì)像電視和洗衣機(jī)一樣很快進(jìn)入千家萬(wàn)戶。
圖6 一種在線互動(dòng)式UPS的前面和后面的外形
| 從UPS的發(fā)展來(lái)看，高頻化、小型化、模塊化、智能化是下一代綠色數(shù)據(jù)中心供電保障的必然趨勢(shì)，工頻機(jī)型UPS是否會(huì)被客戶淘汰？作者認(rèn)為，不同的UPS類型各有用戶群體，各有市場(chǎng)份額，是UPS技術(shù)發(fā)展的“過(guò)渡期狀態(tài)”。從當(dāng)前來(lái)看，高頻機(jī)型(含模塊化)UPS是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的優(yōu)選機(jī)型；從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，直流輸出型UPS是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)UPS技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)趨勢(shì)來(lái)選擇UPS機(jī)型。 |
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1 多種機(jī)型UPS的同時(shí)存在是當(dāng)前過(guò)渡時(shí)期的狀況
眾所周知,前些年UPS中的整流器多采用晶閘管相位控制的工頻工作方式,當(dāng)前稱此種類型為‘工頻機(jī)型UPS’。近十年來(lái),由于半導(dǎo)體器件IGBT技術(shù)的發(fā)展,為整流器采用高頻工作方式提供了技術(shù)條件。因?yàn)閁PS的逆變器在10年前已經(jīng)是高頻SPWM工作方式,近年將整流器也改進(jìn)成高頻工作方式,則稱此種UPS為‘高頻機(jī)型UPS’。兩種機(jī)型的同時(shí)存在,各有市場(chǎng)份額,這要根據(jù)用戶的需求來(lái)決定,筆者多次參加評(píng)標(biāo)會(huì),有的招標(biāo)單位點(diǎn)名要工頻機(jī)型UPS,這就是‘過(guò)渡期’的狀態(tài)。”
同理,當(dāng)前還有模塊化UPS(多為高頻機(jī)型)和直流輸出UPS、飛輪動(dòng)態(tài)型UPS和柴油機(jī)動(dòng)態(tài)型UPS等種類,各有其用戶群體。許多作者或?qū)＜以谕扑]某種機(jī)型UPS時(shí),僅僅敘述其優(yōu)點(diǎn),不談其缺點(diǎn)(存在問(wèn)題)和適用場(chǎng)合,是不全面的。應(yīng)當(dāng)對(duì)UPS用戶給予正確地引導(dǎo)。中國(guó)電源學(xué)會(huì)會(huì)刊《電源資訊》在今年第6期首篇文章《政策綜述及產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)》中敘及“UPS電源行業(yè)存在著一些錯(cuò)誤的觀念和誤導(dǎo)”,指出了這一問(wèn)題。本文擬比較客觀地闡述各種機(jī)型的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問(wèn)題及適用場(chǎng)合,僅供用戶參考。
2 交流輸出型UPS
交流輸出型UPS(簡(jiǎn)稱AC-UPS),在中大功率范圍,多采用雙變換型結(jié)構(gòu),包含工頻機(jī)型和高頻機(jī)型兩類(高頻機(jī)型還包括模塊化UPS)
2.1工頻機(jī)型UPS
(1)結(jié)構(gòu)
眾所周知,工頻機(jī)型UPS是指采用晶閘管多相相位控制整流-IGBT高頻逆變結(jié)構(gòu),晶閘管整流器多采用12脈波整流方式,必要時(shí)再加11次濾波器。而逆變器采用IGBT三相SPWM高頻逆變電路形式,有輸出變壓器,以獲取輸出電壓額定值(380V/220V),常用電路如圖1所示。
(2)特點(diǎn)
?、儆捎谶@種機(jī)型的生產(chǎn)和應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng),因而其技術(shù)成熟度很高,系統(tǒng)可靠性好;
②由于采用晶閘管作為整流器件,對(duì)市電電壓波動(dòng)的耐受力較強(qiáng);
?、圯敵鰝?cè)配置隔離變壓器,負(fù)載與市電電源的隔離功能較好,輸出端零地電壓接近零,可靠地保證負(fù)載正常運(yùn)行;
?、苡捎谳敵龈綦x變壓器自身短路阻抗的作用,使其具有很好的抗負(fù)載沖擊能力,降低在負(fù)載突變時(shí)對(duì)UPS的影響[6];
?、菁词乖赨PS故障時(shí),也不存在向負(fù)載輸出直流電壓的風(fēng)險(xiǎn),負(fù)載運(yùn)行更加安全可靠。
(3)存在問(wèn)題
?、儆捎诓捎镁чl管工頻整流,造成電氣性能方面的落后,諸如輸入功率因數(shù)較低、輸入電流諧波成分較高等。
?、谟捎诓捎孟嗫卣鞴ぷ鞣绞郊氨仨毰渲幂敵鲎儔浩鞯仍蛟斐晒β拭芏容^小、體積重量指標(biāo)較差、整機(jī)效率較低等問(wèn)題。
(4)適用場(chǎng)合
工頻機(jī)型UPS,前些年在通信、金融、石油、電力及交通等行業(yè)大量采用,近幾年高頻機(jī)型UPS的推廣應(yīng)用,使工頻機(jī)型UPS的市場(chǎng)份額縮小。但對(duì)于某些用戶,對(duì)技術(shù)成熟度、可靠性、市電和負(fù)載隔離效果等要求很高,而對(duì)于體積、重量及效率等指標(biāo)要求較低時(shí),還有許多單位選用工頻機(jī)型UPS。在目前“過(guò)渡期”內(nèi)還不能說(shuō)工頻機(jī)型UPS已被用戶淘汰。
2.2高頻機(jī)型UPS
(1)結(jié)構(gòu)
由于近10年來(lái),隨著功率半導(dǎo)體器件(尤其是IGBT)性能和電力電子技術(shù)的進(jìn)步,為UPS的整流器采用IGBT高頻工作方式并為去掉輸出隔離變壓器創(chuàng)造了物質(zhì)條件,使其在高頻化、小型化和節(jié)能化等方面,取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,這就是當(dāng)前常說(shuō)的高頻機(jī)型UPS。
實(shí)際上,高頻整流器有兩種電路結(jié)構(gòu),其一是IGBT降壓型高頻SPWM整流電路,輸出直流電壓約為400V,逆變器的輸出側(cè)采用變壓器升壓,以便使UPS輸出的交流電壓達(dá)到額定值(380V/220V)。這種機(jī)型目前在國(guó)內(nèi)外有少量生產(chǎn),供給特殊用戶選用。其二是IGBT升壓型高頻SPWM整流電路,輸出直流電壓約為800V(以電容分壓獲得±400V),由于此整流電壓較高,使UPS輸出的交流電壓可以達(dá)到額定值的要求,所以逆變器就不需要輸出變壓器了(但必須在輸出側(cè)有串聯(lián)電感)。人們一般所稱的高頻機(jī)型UPS就是指這種高壓整流-無(wú)輸出變壓器型式,其主電路如圖2所示[3]。
(2)特點(diǎn)
與工頻機(jī)型UPS相比具有明顯的優(yōu)勢(shì):
?、俟β拭芏雀?、體積小、重量輕、節(jié)省占用的空間;
?、谳斎牍β室驍?shù)較高(達(dá)到0.99),輸入電流失真度較低(小于5%),為節(jié)能創(chuàng)造了技術(shù)條件;
③整機(jī)效率高。因?yàn)闆]有了輸出變壓器損耗,整流電壓提高了,可以減少電路工作損耗,一般認(rèn)為可以提高2.5%以上(應(yīng)當(dāng)指出:整流器的高頻化,其開關(guān)損耗也增加了,所以其變換頻率不宜太高,目前約15kHz,算是中頻范圍,從而限制了開關(guān)損耗)[5];
④成本低。因?yàn)闆]有了輸出變壓器、12脈波移相變壓器,也不必采用11次濾波器等設(shè)備;
?、莞倪M(jìn)了電性能指標(biāo)。譬如輸入電壓范圍寬了(可達(dá)±25%),帶負(fù)載能力強(qiáng)了(適應(yīng)三相不平衡負(fù)載,動(dòng)態(tài)性能較好);
?、抟子趯?shí)現(xiàn)模塊化,更便于多機(jī)并聯(lián)工作方式,有利于隨時(shí)擴(kuò)充。
(3)人們?cè)?jīng)擔(dān)心的問(wèn)題
由于高頻機(jī)型UPS的發(fā)展時(shí)間比工頻機(jī)型UPS短一些,電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有個(gè)技術(shù)成熟過(guò)程,人們主要對(duì)高頻機(jī)型UPS的工作可靠性存在一些顧慮,但是目前已經(jīng)解決。
①技術(shù)已完全成熟
高頻機(jī)型UPS的IGBT整流(含PFC)技術(shù)和半橋式逆變電路,這兩個(gè)技術(shù)用于無(wú)變壓器UPS中是近10年左右的事情,但這兩項(xiàng)技術(shù)本身的產(chǎn)生由來(lái)已久,近幾年在UPS中應(yīng)用已非常廣泛,其技術(shù)是成熟的。
?、谀孀児β使艿哪蛪阂堰_(dá)到技術(shù)要求
由于高頻機(jī)型UPS的整流輸出電壓為800V,從而要求逆變電路中的功率管(IGBT)的耐壓要大于800V(工頻機(jī)型UPS逆變功率管一般為400V)。但是,目前IGBT生產(chǎn)廠家制作出耐壓大于800V甚至1200V器件的技術(shù)已經(jīng)成熟,完全達(dá)到高頻機(jī)型UPS逆變器的要求。
?、墼赨PS故障時(shí)向負(fù)載輸出較高直流電壓的問(wèn)題已經(jīng)解決
由于UPS線路故障時(shí)發(fā)生逆變功率管IGBT直通(或短路)時(shí),直流母線電壓會(huì)直接輸出到負(fù)載端,當(dāng)前在UPS中已配備了保護(hù)電路,在發(fā)生上述故障時(shí),UPS會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到旁路以確保安全。
?、茌敵龆说摹傲愕仉妷骸辈粫?huì)影響負(fù)載正常工作
由于高頻機(jī)型UPS沒有輸出隔離變壓器,其高次諧波電流會(huì)在UPS的輸出端形成較高的“零地電壓”,有時(shí)會(huì)達(dá)到幾十伏。實(shí)踐證明,在運(yùn)行時(shí),因?yàn)榉?wù)器中的開關(guān)電源有高頻變壓器可以起到隔離作用,零地電壓不會(huì)竄到負(fù)載數(shù)字電路中,所以對(duì)服務(wù)器的正常工作不會(huì)產(chǎn)生影響。
(4)適用場(chǎng)合
可以說(shuō),凡是工頻機(jī)型UPS能使用的場(chǎng)合都可以采用高頻機(jī)型UPS,尤其是對(duì)于體積、重量、效率、輸入功率因數(shù)、輸入交流電壓范圍等指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合都是適用的。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),高頻機(jī)型UPS成為其優(yōu)選機(jī)型。當(dāng)前,用高頻機(jī)型UPS構(gòu)成的模塊化UPS,便于冗余并聯(lián),顯著提高其工作可靠性,現(xiàn)已有專門標(biāo)準(zhǔn),更具有推廣應(yīng)用價(jià)值[4]。
3 直流輸出型UPS
直流輸出型UPS(簡(jiǎn)稱DC-UPS),這一創(chuàng)意的提出是由電源技術(shù)發(fā)展而形成的,目前處于推廣應(yīng)用階段。
(1)結(jié)構(gòu)
AC-UPS的備用能源(蓄電池)配置在逆變器的輸入端,當(dāng)市電中斷時(shí),蓄電池所儲(chǔ)備的能量要經(jīng)過(guò)逆變后才能供給PC機(jī)和服務(wù)器(以下簡(jiǎn)稱IT設(shè)備),實(shí)際上IT設(shè)備直接需要的是直流電源(3V、5V等),電源技術(shù)工作者早就想到:把AC-UPS中的第一次變換(即整流)的直流輸出端掛上蓄電池,經(jīng)過(guò)DC/DC變換直接送到IT設(shè)備上,從而減少了ACUPS的第二次變換(即逆變),而且IT設(shè)備輸入側(cè)的開關(guān)電源(AC/DC)也可以不用了,實(shí)際上早期的48V通信電源就是這個(gè)方案,具體如圖3所示,這樣就變得很簡(jiǎn)單了。
(2)特點(diǎn)
上述變革:因?yàn)樗Φ袅四孀兤?蓄電池可以直接掛在IT設(shè)備輸入側(cè),從而獲得一系列優(yōu)點(diǎn)[4]:減少了逆變器——效率提高了;電路簡(jiǎn)化了——可靠性提高了,成本降低了;諧波減少了——性能提高了;市電中斷時(shí),由蓄電池直接向負(fù)載供電,能源利用率提高了;還可以列舉出很多優(yōu)點(diǎn),怎么不馬上實(shí)行呢?
(3)存在問(wèn)題
計(jì)算機(jī)開始產(chǎn)業(yè)化至今有50年的歷史,在它問(wèn)世時(shí)采用的供電電源是380V/220V,50Hz的交流電源,這種電源存在電能質(zhì)量不佳,又經(jīng)常出現(xiàn)中斷等問(wèn)題。人們采用把它整流成直流再逆變的方式,從而提高供電質(zhì)量,在逆變器前配置蓄電池解決電源中斷問(wèn)題,為了進(jìn)一步提高可靠性又采取在輸入/輸出端加變壓器、輸出冗余并聯(lián)、輸入雙總線等技術(shù)措施,而整流器由6脈波變成12脈波、24脈波等形式,越弄越復(fù)雜。
電源技術(shù)工作者也不斷在改進(jìn),先把逆變器利用SPWM技術(shù)高頻化了,由于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,用IGBT取代了晶閘管,使整流部分也高頻化了,輸入/輸出變壓器也取消了,但是逆變器還在,為什么呢?就是計(jì)算機(jī)生產(chǎn)廠家制作的IT設(shè)備是按著輸入交流電源來(lái)設(shè)計(jì)的,國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)就是這樣規(guī)定的。
若想讓生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的廠家修改設(shè)計(jì)、同時(shí)修改國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),這可不是一朝一夕的事情,現(xiàn)在采取兩步走。
第一步:直接往IT設(shè)備的開關(guān)電源輸入直流電源,因?yàn)槠溟_關(guān)電源的輸入側(cè)多是單相橋式整流,如圖4所示。
對(duì)于采用簡(jiǎn)單的橋式整流形式,見圖4(a),整流電壓為300V左右;而采用PFC電路環(huán)節(jié),見圖4(b),其整流電壓為380V左右。
圖4中的橋式整流按設(shè)計(jì)要求是輸入交流電源,兩對(duì)二極管輪流工作,現(xiàn)在輸入直流電源了,只有一對(duì)二極管工作,另一對(duì)二極管不工作。為了安全起見,我國(guó)部分地區(qū)采用輸入240V直流電源形式(即UPS的輸出為直流240V,并掛上240V的蓄電池),這樣IT設(shè)備中的濾波電容等部件不用變動(dòng)(現(xiàn)已形成部頒標(biāo)準(zhǔn))。
第二步:選擇DC-UPS輸出電壓為300～380V,國(guó)際上許多大型企業(yè)已開始這樣做。把UPS輸出直流化,對(duì)于電源技術(shù)來(lái)講是很成熟的,不存在困難。關(guān)鍵是IT設(shè)備廠商能否接受這一變革,包括:
?、買T設(shè)備開關(guān)電源的輸入開關(guān)、保險(xiǎn)絲、繼電器等交流器件要改成相應(yīng)的直流器件;
?、谌サ鬒T設(shè)備中的AC/DC變換環(huán)節(jié),只保留DC/DC變換環(huán)節(jié);
?、垓?yàn)證這樣變革的可行性、適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性(成本能否降低)、使用壽命及其節(jié)能效果等;
?、茉诖嘶A(chǔ)上得到普遍認(rèn)可,制定出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),使各國(guó)的產(chǎn)品具有通用性。
總之,UPS的輸出直流化是數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的重大變革,需要改變觀念、技術(shù)研發(fā)、方案論證、系統(tǒng)運(yùn)行及編制標(biāo)準(zhǔn)等過(guò)程。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,這種機(jī)型是UPS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),但愿這個(gè)變革早日實(shí)現(xiàn)。
(4)適用場(chǎng)合
當(dāng)前,在相當(dāng)多的通信系統(tǒng)中DC-UPS已經(jīng)在運(yùn)行,可靠性很好,逐步向數(shù)據(jù)中心推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在對(duì)直流電壓值的等級(jí)(240V、300V、380V)還有不同意見,待逐漸改進(jìn)并取得共識(shí)后,將會(huì)在各行業(yè)普遍采用。
4 動(dòng)態(tài)型UPS
動(dòng)態(tài)型UPS是指以機(jī)械旋轉(zhuǎn)工作方式構(gòu)成的不間斷電源,一般有兩種型式:飛輪式和柴油機(jī)式。
4.1磁懸浮式飛輪儲(chǔ)能UPS
(1)結(jié)構(gòu)
主要由磁懸浮飛輪和備用柴油發(fā)電機(jī)組成,飛輪是其核心部件。由飛輪UPS組成的供電系統(tǒng)如圖5所示,飛輪儲(chǔ)能裝置如圖6所示[7]。
圖5中采用雙路10kV/400V變壓器供電,兩臺(tái)變壓器互為備用,在雙路電源都失效的情況下由后備柴油發(fā)電機(jī)在10s內(nèi)自動(dòng)起動(dòng)并且達(dá)到穩(wěn)定輸出。在有市電時(shí),驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn),把動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái),在市電中斷至發(fā)電機(jī)正常供電之間由飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提供動(dòng)力,在勵(lì)磁裝置激勵(lì)下發(fā)出電能,保持對(duì)負(fù)載不間斷供電;待發(fā)電機(jī)起動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行后,轉(zhuǎn)由發(fā)電機(jī)供電。
圖6所示為磁懸浮飛輪結(jié)構(gòu),其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為7700轉(zhuǎn)/min,采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗,提高驅(qū)動(dòng)效率。為了減小風(fēng)阻損耗,將飛輪置于高真空環(huán)境中運(yùn)行。飛輪與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)同軸相連,通過(guò)電力電子轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能部件與電網(wǎng)之間的能量交換。
(2)特點(diǎn)
?、龠@種UPS的突出優(yōu)點(diǎn)就是不用蓄電池做后備儲(chǔ)能電源,從而獲得環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn),減少了維修工作量。
?、谟捎诓皇褂眯铍姵?減少了體積和重量,而且整機(jī)效率也提高了。
?、埏w輪式UPS對(duì)環(huán)境的要求較低,在-20℃～40℃之間運(yùn)行,不需要空調(diào)設(shè)備。
(3)存在問(wèn)題
?、偃藗儞?dān)心的主要是后備時(shí)間問(wèn)題。以容量為500kVA的飛輪式UPS為例,滿載時(shí)的后備時(shí)間為15s(半載時(shí)為30s),這就要求柴油發(fā)電機(jī)必須在10s左右起動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定電壓及頻率輸出,需要優(yōu)質(zhì)發(fā)電機(jī)相配合。據(jù)調(diào)查資料得知,柴油發(fā)電機(jī)可以在10s達(dá)到正常運(yùn)行,可見飛輪式UPS是可以滿足要求的。
?、陲w輪式UPS對(duì)機(jī)械加工精度及材料的要求很高,其價(jià)格相對(duì)昂貴,但因其使用壽命可以達(dá)到20年以上,比蓄電池的壽命長(zhǎng)了許多,所以整體成本還是比較低的。
(4)適用場(chǎng)合
首先是不宜使用蓄電池的單位,例如軍用系統(tǒng)、半導(dǎo)體芯片制造廠、數(shù)據(jù)中心等,尤其是對(duì)于蓄電池很介意的場(chǎng)所。這種UPS目前主要用于150～1500kVA供電系統(tǒng)中。如果是對(duì)15s的后備時(shí)間特別在意的話,則應(yīng)適當(dāng)考慮。
4.2柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)UPS
(1)結(jié)構(gòu)
主要由同步交流發(fā)電機(jī)、感應(yīng)耦合器、自由輪離合器及柴油機(jī)等部分組成,如圖7所示[8]。
同步交流發(fā)電機(jī)與市電一起向負(fù)載供電,并與電抗器(另接)組成有源濾波器濾除諧波。感應(yīng)耦合器是儲(chǔ)能裝置,有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子,外轉(zhuǎn)子上有一個(gè)兩極三相線圈,在有市電情況下,可以加速自由轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)市電中斷時(shí),取出在內(nèi)轉(zhuǎn)子上儲(chǔ)存的動(dòng)能,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)給負(fù)載供電,并及時(shí)起動(dòng)柴油機(jī)使之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),向負(fù)載提供電能。自由輪離合器在感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)之間起機(jī)械通斷作用。在市電正常時(shí),柴油機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài),離合器斷開,發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn);市電中斷時(shí),柴油機(jī)起動(dòng),當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),離合器自動(dòng)接合,由發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為5～10s。當(dāng)市電恢復(fù)時(shí),這種動(dòng)態(tài)UPS會(huì)與市電同步,轉(zhuǎn)由市電向負(fù)載供電,離合器斷開,柴油機(jī)與感應(yīng)耦合器不再有機(jī)械連接,逐漸停止運(yùn)轉(zhuǎn),回到待機(jī)狀態(tài)。
(2)特點(diǎn)
從上述結(jié)構(gòu)原理可知,它的儲(chǔ)能裝置既不用蓄電池,也不用飛輪,更沒有靜止型UPS的半導(dǎo)體變換器。具有如下優(yōu)點(diǎn):
?、倏煽啃愿摺ｋp變換型UPS系統(tǒng)中必須要有蓄電池和逆變器,這兩個(gè)環(huán)節(jié)是AC-UPS產(chǎn)生故障的主要部分,柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)UPS沒有這兩個(gè)環(huán)節(jié),顯然大幅度提高了可靠性。
?、谡麢C(jī)效率高。雙變換型UPS的電能要經(jīng)過(guò)兩次變換,有功率損耗;UPS和蓄電池都需要空調(diào)系統(tǒng),也要消耗能量,而柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)UPS只需適當(dāng)通風(fēng)條件即可,不需要空調(diào)系統(tǒng),顯然其工作效率很高。
?、酃ぷ鲏勖L(zhǎng)。雙變換型UPS的壽命約為10年左右,柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)UPS的壽命可達(dá)25年。
④環(huán)保性能及經(jīng)濟(jì)性能均很好。與飛輪式UPS相同,由于沒有蓄電池了,不存在對(duì)環(huán)境的污染;體積小了,節(jié)省空間;無(wú)蓄電池及空調(diào)系統(tǒng),成本也降低了,維護(hù)也方便了。
(3)存在問(wèn)題
對(duì)于飛輪式UPS,人們主要擔(dān)心的是后備時(shí)間問(wèn)題,對(duì)于柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)UPS,因?yàn)槠鋬?chǔ)能裝置(感應(yīng)耦合器)與發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)是一體化結(jié)構(gòu),容易滿足要求。
機(jī)械加工的精度要求仍然比較高,但其難度比懸浮式高真空飛輪要好一些,從而其工作壽命及價(jià)格情況具有一定優(yōu)勢(shì)。
(4)適用場(chǎng)合
目前這種UPS主要用于250～2500kVA供電系統(tǒng)中。對(duì)于不宜使用蓄電池的軍用系統(tǒng)、現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心等是非常適合的。
總之,從節(jié)能和環(huán)保這些基本國(guó)策而言，靜態(tài)型UPS存在著明顯的缺陷，這為飛輪式和柴油機(jī)式兩種動(dòng)態(tài)型UPS提供了良機(jī)，吸引了人們的眼球，在UPS市場(chǎng)上占有一席之地，具有較好地應(yīng)用前景。
5 結(jié)束語(yǔ)
(1)在上世紀(jì)初期發(fā)明了以飛輪慣性為儲(chǔ)能手段的動(dòng)態(tài)型UPS,后來(lái)出現(xiàn)以半導(dǎo)體器件(晶閘管)為基礎(chǔ)、以蓄電池為儲(chǔ)能裝置、以逆變器為核心的靜止型UPS,現(xiàn)在飛輪型UPS經(jīng)過(guò)改進(jìn)又回來(lái)了,它的突出優(yōu)點(diǎn)就是不用蓄電池,有利于環(huán)保。
(2)高頻機(jī)型(含模塊化)UPS是AC-UPS發(fā)展到較高階段,具有技術(shù)先進(jìn)及節(jié)能環(huán)保等多種優(yōu)勢(shì),成為當(dāng)前UPS應(yīng)用的主流。
(3)逆變器是使AC-UPS工作可靠性不高的主要環(huán)節(jié),電源技術(shù)工作者想辦法取消逆變器,把蓄電池直接掛在IT設(shè)備的輸入端,從而研發(fā)出DCUPS,實(shí)際上它就是一個(gè)高頻整流器(兼充電器)+蓄電池+DC/DC變換器,輸出直流3V、5V等電源直接送入IT設(shè)備,這樣就更簡(jiǎn)單了。
(4)工頻機(jī)型UPS由于存在諸多缺點(diǎn),市場(chǎng)份額逐漸縮小,可以預(yù)見不久的將來(lái),終將被高頻機(jī)型UPS和直流輸出型UPS所取代。
(5)利用飛輪式和柴油機(jī)式動(dòng)態(tài)型UPS力圖甩掉蓄電池,但又帶來(lái)了復(fù)雜的機(jī)械問(wèn)題及燃油問(wèn)題。
由上述可見,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,就是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜再到簡(jiǎn)單的過(guò)程,現(xiàn)在是多種機(jī)型同時(shí)存在,這是一種“過(guò)渡期”,與“社會(huì)多元化”的道理是相同的,而那種落后機(jī)型自然就會(huì)消亡,現(xiàn)在去市場(chǎng)購(gòu)買照相機(jī),誰(shuí)還買膠卷式相機(jī)呢。但愿我國(guó)電源技術(shù)工作者共同努力,使這個(gè)過(guò)渡期短一些,新技術(shù)推廣得快一些。
