| 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)。 |
| 第1頁:談在線互動式UPS的技術(shù)特點(diǎn) 第2頁:談在線互動式UPS的技術(shù)特點(diǎn) 第3頁:談在線互動式UPS的技術(shù)特點(diǎn) |
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式電路。
二、在線互動式UPS的定義及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
在線互動式UPS產(chǎn)品是上個世紀(jì)九十年代中期進(jìn)入國內(nèi)市場，不到五年時間其銷量就躍居全國第一，看起來這是一個不可思議的奇跡。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。
在線互動式UPS的技術(shù)特點(diǎn)就在于它的“互動”(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€輸入電壓，因?yàn)椤盎印?interactive)就是交叉的意思，一個電壓如何交叉?所以互動的真正含義應(yīng)該是：通過兩個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輸入電壓，如圖1所示的兩種形式的電路都是只有一個輸入電壓(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
讀者一定會有這樣一個問題，市電只有一個，那么第二個電壓從哪里來?這就是互動電源的不同之處。原始設(shè)計的在線互動式電路是采用了一個雙向變換器來實(shí)現(xiàn)雙變換功能。就是這個雙向變換器產(chǎn)生出25V的第二個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。所以叫在線互動式其原因之一就是當(dāng)市電正常供電時UPS輸出為正弦波，如圖2(a)所示;當(dāng)市電異常改由UPS逆變器供電時輸出仍為正弦波如圖2(b)所示。第二個原因就是轉(zhuǎn)換時間，當(dāng)市電電壓異常轉(zhuǎn)為UPS供電時這中間的間隔時間只有2~4ms，有的擔(dān)心2~4ms斷電時間會使機(jī)器重起或停機(jī)。實(shí)際上這種擔(dān)心大可不必，根據(jù)幾個主要IT制造商實(shí)驗(yàn)，當(dāng)市電斷電時IT本上電源的儲能能保證農(nóng)夫和工作50~60ms，在國內(nèi)某鐵路研究所也有停電35ms時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時間。所以說在線互動式UPS是后備式的供電方式在線式的效果。
2、在線互動式UPS的工作原理
圖3 一種在線互動式UPS電路原理結(jié)構(gòu)圖
圖3所示是一種原始在線互動式UPS電路原理結(jié)構(gòu)圖。第一個輸入電壓ULN(INPUT)就是市電電壓，第二個輸入電壓就是補(bǔ)償繞組Boost/trim，上面電壓一般為25V。當(dāng)輸入電壓ULN=220V時，繼電器RY4，RY5和RY1接通，這時輸入等于輸出;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);如果此時輸入電壓繼續(xù)上升到245V，這時繼電器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。這時就變成245V輸入電壓減去25Vba，使輸出又回到220V。就這樣通過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，在輸出端還有一個濾波環(huán)節(jié)，使輸出電壓具有清潔的正弦波形。
圖4 兩個電壓交叉供電式在線互動式UPS掉路結(jié)構(gòu)原理方框圖
圖4所示的電路是兩個電壓交叉供電模式的在線互動式。這里的例子是5kVA，電路結(jié)構(gòu)用的是一個帶抽頭的輸出變壓器，抽頭的換接是通過繼電器實(shí)現(xiàn)的，每個抽頭電壓是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時就要進(jìn)行抽頭換接，由于繼電器比較大，從一個抽頭到另一個抽頭的換接時間較長，這個時間空缺就有雙向變換器產(chǎn)生的電壓來填補(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。這就是兩個電源交叉供電的過程。
四、在線互動式UPS的前景
前面討論了在線互動式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)能減排的國策，從大氣候上說這是“天時”。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，這是一個潛在的“地利”條件。最值得注意的是這種在線互動式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?，延長了電池的使用壽命，并具有精確計算電池更換時間的功能。并且本身就就被自動電壓調(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。故障時有多種告警方式：除現(xiàn)場告警外還可遠(yuǎn)程通知，比如手機(jī)信號，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價格低和漂亮的外形，給用戶帶來了不少方便和美感，這又是“人和”的潛在條件。既然天時、地利、人和三大成功條件都具備，其前景無疑是光明的。目前的情況是一般用戶對這種技術(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家已是社會和家庭的通用產(chǎn)品。只要用戶一旦了解到這種產(chǎn)品的優(yōu)越之處就會像電視和洗衣機(jī)一樣很快進(jìn)入千家萬戶。
圖6 一種在線互動式UPS的前面和后面的外形
| 從UPS的發(fā)展來看，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，工頻機(jī)型UPS是否會被客戶淘汰？作者認(rèn)為，不同的UPS類型各有用戶群體，各有市場份額，是UPS技術(shù)發(fā)展的“過渡期狀態(tài)”。從當(dāng)前來看，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；從長遠(yuǎn)來看，直流輸出型UPS是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，但用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)UPS技術(shù)發(fā)展和市場趨勢來選擇UPS機(jī)型。 |
| 第1頁:工頻機(jī)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問題與適用場合 第2頁:高頻機(jī)UPS的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問題與適用場合 第3頁:直流輸出UPS的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問題與適用場合 第4頁:動態(tài)UPS的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問題與適用場合 |
1 多種機(jī)型UPS的同時存在是當(dāng)前過渡時期的狀況
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,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)型的同時存在,各有市場份額,這要根據(jù)用戶的需求來決定,筆者多次參加評標(biāo)會,有的招標(biāo)單位點(diǎn)名要工頻機(jī)型UPS,這就是‘過渡期’的狀態(tài)?！?/span>
同理,當(dāng)前還有模塊化UPS(多為高頻機(jī)型)和直流輸出UPS、飛輪動態(tài)型UPS和柴油機(jī)動態(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,僅僅敘述其優(yōu)點(diǎn),不談其缺點(diǎn)(存在問題)和適用場合,是不全面的。應(yīng)當(dāng)對UPS用戶給予正確地引導(dǎo)。中國電源學(xué)會會刊《電源資訊》在今年第6期首篇文章《政策綜述及產(chǎn)業(yè)動態(tài)》中敘及“UPS電源行業(yè)存在著一些錯誤的觀念和誤導(dǎo)”,指出了這一問題。本文擬比較客觀地闡述各種機(jī)型的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、存在問題及適用場合,僅供用戶參考。
2 交流輸出型UPS
交流輸出型UPS(簡稱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)用時間最長,因而其技術(shù)成熟度很高,系統(tǒng)可靠性好;
?、谟捎诓捎镁чl管作為整流器件,對市電電壓波動的耐受力較強(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)載突變時對UPS的影響[6];
?、菁词乖赨PS故障時,也不存在向負(fù)載輸出直流電壓的風(fēng)險,負(fù)載運(yùn)行更加安全可靠。
(3)存在問題
①由于采用晶閘管工頻整流,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。
②由于采用相控整流工作方式及必須配置輸出變壓器等原因造成功率密度較小、體積重量指標(biāo)較差、整機(jī)效率較低等問題。
(4)適用場合
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的市場份額縮小。但對于某些用戶,對技術(shù)成熟度、可靠性、市電和負(fù)載隔離效果等要求很高,而對于體積、重量及效率等指標(biāo)要求較低時,還有許多單位選用工頻機(jī)型UPS。在目前“過渡期”內(nèi)還不能說工頻機(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,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,取得了長足的進(jìn)展,這就是當(dāng)前常說的高頻機(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:
?、俟β拭芏雀摺Ⅲw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];
?、艹杀镜汀Ｒ?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,動態(tài)性能較好);
⑥易于實(shí)現(xiàn)模塊化,更便于多機(jī)并聯(lián)工作方式,有利于隨時擴(kuò)充。
(3)人們曾經(jīng)擔(dān)心的問題
由于高頻機(jī)型UPS的發(fā)展時間比工頻機(jī)型UPS短一些,電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有個技術(shù)成熟過程,人們主要對高頻機(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,這兩個技術(shù)用于無變壓器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故障時向負(fù)載輸出較高直流電壓的問題已經(jīng)解決
由于UPS線路故障時發(fā)生逆變功率管IGBT直通(或短路)時,直流母線電壓會直接輸出到負(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,UPS會自動轉(zhuǎn)換到旁路以確保安全。
④輸出端的“零地電壓”不會影響負(fù)載正常工作
由于高頻機(jī)型UPS沒有輸出隔離變壓器,其高次諧波電流會在UPS的輸出端形成較高的“零地電壓”,有時會達(dá)到幾十伏。實(shí)踐證明,在運(yùn)行時,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,零地電壓不會竄到負(fù)載數(shù)字電路中,所以對服務(wù)器的正常工作不會產(chǎn)生影響。
(4)適用場合
可以說,凡是工頻機(jī)型UPS能使用的場合都可以采用高頻機(jī)型UPS,尤其是對于體積、重量、效率、輸入功率因數(shù)、輸入交流電壓范圍等指標(biāo)要求較高的場合都是適用的。這些優(yōu)勢對于現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心來說,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)用價值[4]。
3 直流輸出型UPS
直流輸出型UPS(簡稱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,蓄電池所儲備的能量要經(jīng)過逆變后才能供給PC機(jī)和服務(wù)器(以下簡稱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通信電源就是這個方案,具體如圖3所示,這樣就變得很簡單了。
(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,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)存在問題
計算機(jī)開始產(chǎn)業(yè)化至今有50年的歷史,在它問世時采用的供電電源是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設(shè)計的,國際上的標(biāo)準(zhǔn)就是這樣規(guī)定的。
若想讓生產(chǎn)計算機(jī)的廠家修改設(shè)計、同時修改國際標(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。
對于采用簡單的橋式整流形式,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)計要求是輸入交流電源,兩對二極管輪流工作,現(xiàn)在輸入直流電源了,只有一對二極管工作,另一對二極管不工作。為了安全起見,我國部分地區(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(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,國際上許多大型企業(yè)已開始這樣做。把UPS輸出直流化,對于電源技術(shù)來講是很成熟的,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,制定出國際標(biāo)準(zhǔn),使各國的產(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)等過程。從長遠(yuǎn)來看,這種機(jī)型是UPS技術(shù)的發(fā)展趨勢,但愿這個變革早日實(shí)現(xiàn)。
(4)適用場合
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)在對直流電壓值的等級(240V、300V、380V)還有不同意見,待逐漸改進(jìn)并取得共識后,將會在各行業(yè)普遍采用。
4 動態(tài)型UPS
動態(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)自動起動并且達(dá)到穩(wěn)定輸出。在有市電時,驅(qū)動電動機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn),把動能儲存起來,在市電中斷至發(fā)電機(jī)正常供電之間由飛輪的轉(zhuǎn)動慣量提供動力,在勵磁裝置激勵下發(fā)出電能,保持對負(fù)載不間斷供電;待發(fā)電機(jī)起動并穩(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。飛輪與電動機(jī)/發(fā)電機(jī)同軸相連,通過電力電子轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)儲能部件與電網(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。
②由于不使用蓄電池,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)存在問題
?、偃藗儞?dān)心的主要是后備時間問題。以容量為500kVA的飛輪式UPS為例,滿載時的后備時間為15s(半載時為30s),這就要求柴油發(fā)電機(jī)必須在10s左右起動并達(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。
②飛輪式UPS對機(jī)械加工精度及材料的要求很高,其價格相對昂貴,但因其使用壽命可以達(dá)到20年以上,比蓄電池的壽命長了許多,所以整體成本還是比較低的。
(4)適用場合
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,尤其是對于蓄電池很介意的場所。這種UPS目前主要用于150～1500kVA供電系統(tǒng)中。如果是對15s的后備時間特別在意的話,則應(yīng)適當(dāng)考慮。
4.2柴油機(jī)式動態(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)耦合器是儲能裝置,有外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子,外轉(zhuǎn)子上有一個兩極三相線圈,在有市電情況下,可以加速自由轉(zhuǎn)動的內(nèi)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。當(dāng)市電中斷時,取出在內(nèi)轉(zhuǎn)子上儲存的動能,驅(qū)動發(fā)電機(jī)繼續(xù)給負(fù)載供電,并及時起動柴油機(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,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,柴油機(jī)起動,當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時,離合器自動接合,由發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電。整個轉(zhuǎn)換時間約為5～10s。當(dāng)市電恢復(fù)時,這種動態(tài)UPS會與市電同步,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,這兩個環(huán)節(jié)是AC-UPS產(chǎn)生故障的主要部分,柴油機(jī)式動態(tài)UPS沒有這兩個環(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。
③工作壽命長。雙變換型UPS的壽命約為10年左右,柴油機(jī)式動態(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,不存在對環(huán)境的污染;體積小了,節(jié)省空間;無蓄電池及空調(diào)系統(tǒng),成本也降低了,維護(hù)也方便了。
(3)存在問題
對于飛輪式UPS,人們主要擔(dān)心的是后備時間問題,對于柴油機(jī)式動態(tài)UPS,因?yàn)槠鋬δ苎b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格情況具有一定優(yōu)勢。
(4)適用場合
目前這種UPS主要用于250～2500kVA供電系統(tǒng)中。對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)式兩種動態(tài)型UPS提供了良機(jī)，吸引了人們的眼球，在UPS市場上占有一席之地，具有較好地應(yīng)用前景。
5 結(jié)束語
(1)在上世紀(jì)初期發(fā)明了以飛輪慣性為儲能手段的動態(tài)型UPS,后來出現(xiàn)以半導(dǎo)體器件(晶閘管)為基礎(chǔ)、以蓄電池為儲能裝置、以逆變器為核心的靜止型UPS,現(xiàn)在飛輪型UPS經(jīng)過改進(jìn)又回來了,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,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,這樣就更簡單了。
(4)工頻機(jī)型UPS由于存在諸多缺點(diǎn),市場份額逐漸縮小,可以預(yù)見不久的將來,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)式動態(tài)型UPS力圖甩掉蓄電池,但又帶來了復(fù)雜的機(jī)械問題及燃油問題。
由上述可見,科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,就是由簡單到復(fù)雜再到簡單的過程,現(xiàn)在是多種機(jī)型同時存在,這是一種“過渡期”,與“社會多元化”的道理是相同的,而那種落后機(jī)型自然就會消亡,現(xiàn)在去市場購買照相機(jī),誰還買膠卷式相機(jī)呢。但愿我國電源技術(shù)工作者共同努力,使這個過渡期短一些,新技術(shù)推廣得快一些。
