1.多種機型UPS的同時存在是當前過渡時期的狀況
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，當前稱此種類型為‘工頻機型UPS’。近十年來，由于半導體器件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。因為UPS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成高頻工作方式，則稱此種UPS為‘高頻機型UPS’。兩種機型的同時存在，各有市場份額，這要根據(jù)用戶的需求來決定，筆者多次參加評標會，有的招標單位點名要工頻機型UPS，這就是‘過渡期’的狀態(tài)。”
同理，當前還有模塊化UPS(多為高頻機型)和直流輸出UPS、飛輪動態(tài)型UPS和柴油機動態(tài)型UPS等種類，各有其用戶群體。許多作者或?qū)＜以谕扑]某種機型UPS時，僅僅敘述其優(yōu)點，不談其缺點(存在問題)和適用場合，是不全面的。應(yīng)當對UPS用戶給予正確地引導。中國電源學會會刊《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”，指出了這一問題。本文擬比較客觀地闡述各種機型的結(jié)構(gòu)、特點、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)，包含工頻機型和高頻機型兩類(高頻機型還包括模塊化UPS)。
2.1 工頻機型UPS
(1)結(jié)構(gòu)
眾所周知，工頻機型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
�、儆捎谶@種機型的生產(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；
�、圯敵鰝�(cè)配置隔離變壓器，負載與市電電源的隔離功能較好，輸出端零地電壓接近零，可靠地保證負載正常運行；
�、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載沖擊能力，降低在負載突變時對UPS的影響；
�、菁词乖赨PS故障時，也不存在向負載輸出直流電壓的風險，負載運行更加安全可靠。
(3)存在問題
�、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、體積重量指標較差、整機效率較低等問題。
(4)適用場合
工頻機型UPS，前些年在通信、金融、石油、電力及交通等行業(yè)大量采用，近幾年高頻機型UPS的推廣應(yīng)用，使工頻機型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、市電和負載隔離效果等要求很高，而對于體積、重量及效率等指標要求較低時，還有許多單位選用工頻機型UPS。在目前“過渡期”內(nèi)還不能說工頻機型UPS已被用戶淘汰。
2.2 高頻機型UPS
(1)結(jié)構(gòu)
由于近10年來，隨著功率半導體器件(尤其是IGBT)性能和電力電子技術(shù)的進步，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，取得了長足的進展，這就是當前常說的高頻機型UPS。
實際上，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輸出的交流電壓達到額定值(380V/220V)。這種機型目前在國內(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。
(2)特點
與工頻機型UPS相比具有明顯的優(yōu)勢：
�、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；
�、壅麢C效率高。因為沒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，一般認為可以提高2.5%以上(應(yīng)當指出: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)；
�、艹杀镜�。因為沒有了輸出變壓器、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了電性能指標。譬如輸入電壓范圍寬了(可達±25%)，帶負載能力強了(適應(yīng)三相不平衡負載，動態(tài)性能較好)；
�、抟子趯崿F(xiàn)模塊化，更便于多機并聯(lián)工作方式，有利于隨時擴充。
(3)人們曾經(jīng)擔心的問題
由于高頻機型UPS的發(fā)展時間比工頻機型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_到技術(shù)要求
由于高頻機型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，完全達到高頻機型UPS逆變器的要求。
�、墼赨PS故障時向負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載端，當前在UPS中已配備了保護電路，在發(fā)生上述故障時，UPS會自動轉(zhuǎn)換到旁路以確保安全。
�、茌敵龆说�“零地電壓”不會影響負載正常工作
由于高頻機型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”，有時會達到幾十伏。實踐證明，在運行時，因為服務(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，凡是工頻機型UPS能使用的場合都可以采用高頻機型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，高頻機型UPS成為其優(yōu)選機型。當前，用高頻機型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)已有專門標準，更具有推廣應(yīng)用價值。
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機和服務(wù)器(以下簡稱IT設(shè)備)，實際上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
上述變革：因為甩掉了逆變器，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[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，由蓄電池直接向負載供電，能源利用率提高了；還可以列舉出很多優(yōu)點，怎么不馬上實行呢?
(3)存在問題
計算機開始產(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，先把逆變器利用SPWM技術(shù)高頻化了，由于半導體技術(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，國際上的標準就是這樣規(guī)定的。
若想讓生產(chǎn)計算機的廠家修改設(shè)計、同時修改國際標準，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，因為其開關(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)已形成部頒標準)。
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:
①IT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；
②去掉IT設(shè)備中的AC/DC變換環(huán)節(jié)，只保留DC/DC變換環(huán)節(jié)；
�、垓炞C這樣變革的可行性、適應(yīng)性、可靠性、經(jīng)濟性(成本能否降低)、使用壽命及其節(jié)能效果等；
④在此基礎(chǔ)上得到普遍認可，制定出國際標準，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)運行及編制標準等過程。從長遠來看，這種機型是UPS技術(shù)的發(fā)展趨勢，但愿這個變革早日實現(xiàn)。
(4)適用場合
當前，在相當多的通信系統(tǒng)中DC-UPS已經(jīng)在運行，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。
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)電機在10s內(nèi)自動起動并且達到穩(wěn)定輸出。在有市電時，驅(qū)動電動機帶動飛輪高速旋轉(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，保持對負載不間斷供電；待發(fā)電機起動并穩(wěn)定運行后，轉(zhuǎn)由發(fā)電機供電。
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。為了減小風阻損耗，將飛輪置于高真空環(huán)境中運行。飛輪與電動機/發(fā)電機同軸相連，通過電力電子轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)儲能部件與電網(wǎng)之間的能量交換。
(2)特點
�、龠@種UPS的突出優(yōu)點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，減少了維修工作量。
�、谟捎诓皇褂眯铍姵兀瑴p少了體積和重量，而且整機效率也提高了。
�、埏w輪式UPS對環(huán)境的要求較低，在-20℃～40℃之間運行，不需要空調(diào)設(shè)備。
(3)存在問題
①人們擔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)電機必須在10s左右起動并達到穩(wěn)定電壓及頻率輸出，需要優(yōu)質(zhì)發(fā)電機相配合。據(jù)調(diào)查資料得知，柴油發(fā)電機可以在10s達到正常運行，可見飛輪式UPS是可以滿足要求的。
②飛輪式UPS對機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)適當考慮。
4.2 柴油機式動態(tài)UPS
(1)結(jié)構(gòu)
主要由同步交流發(fā)電機、感應(yīng)耦合器、自由輪離合器及柴油機等部分組成，如圖7所示。
同步交流發(fā)電機與市電一起向負載供電，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)電機繼續(xù)給負載供電，并及時起動柴油機使之達到穩(wěn)定狀態(tài)，向負載提供電能。自由輪離合器在感應(yīng)耦合器/發(fā)電機與柴油機之間起機械通斷作用。在市電正常時，柴油機處于停止狀態(tài)，離合器斷開，發(fā)電機旋轉(zhuǎn)；市電中斷時，柴油機起動，當達到額定轉(zhuǎn)速時，離合器自動接合，由發(fā)電機向負載供電。整個轉(zhuǎn)換時間約為5～10s。當市電恢復(fù)時，這種動態(tài)UPS會與市電同步，轉(zhuǎn)由市電向負載供電，離合器斷開，柴油機與感應(yīng)耦合器不再有機械連接，逐漸停止運轉(zhuǎn)，回到待機狀態(tài)。
(2)特點
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的半導體變換器。具有如下優(yōu)點：
�、倏煽啃愿�。雙變換型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。
②整機效率高。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，而柴油機式動態(tài)UPS只需適當通風條件即可，不需要空調(diào)系統(tǒng)，顯然其工作效率很高。
�、酃ぷ鲏勖L。雙變換型UPS的壽命約為10年左右，柴油機式動態(tài)UPS的壽命可達25年。
�、墉h(huán)保性能及經(jīng)濟性能均很好。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，維護也方便了。
(3)存在問題
對于飛輪式UPS，人們主要擔心的是后備時間問題，對于柴油機式動態(tài)UPS，因為其儲能裝置(感應(yīng)耦合器)與發(fā)電機和柴油機是一體化結(jié)構(gòu)，容易滿足要求。
機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式兩種動態(tài)型UPS提供了良機，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)過改進又回來了，它的突出優(yōu)點就是不用蓄電池，有利于環(huán)保。
(2)高頻機型(含模塊化)UPS是AC-UPS發(fā)展到較高階段，具有技術(shù)先進及節(jié)能環(huán)保等多種優(yōu)勢，成為當前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)工頻機型UPS由于存在諸多缺點，市場份額逐漸縮小，可以預(yù)見不久的將來，終將被高頻機型UPS和直流輸出型UPS所取代。
(5)利用飛輪式和柴油機式動態(tài)型UPS力圖甩掉蓄電池，但又帶來了復(fù)雜的機械問題及燃油問題。
由上述可見，科學技術(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，而那種落后機型自然就會消亡，現(xiàn)在去市場購買照相機，誰還買膠卷式相機呢。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。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.oesoe.com/
本文網(wǎng)址：http://www.oesoe.com/html/support/11121515463.html
相關(guān)文章
