UPS的分類及運(yùn)行方式探討
2017-02-13
一、 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信業(yè)的快速發(fā)展，使用者對電源供應(yīng)系統(tǒng)的要求越來越高。而公共電力系統(tǒng)中存在許多不穩(wěn)定因素，如電壓幅值、頻率不穩(wěn)定、浪涌、尖峰信號、線路噪音，這些不穩(wěn)定因素有時會影響負(fù)載的正常工作甚至損壞負(fù)載，這些情況下，采用適合現(xiàn)場使用工況的UPS，都能發(fā)揮很好的作用。但在選用UPS系統(tǒng)供電時，不但要滿足實用、可靠，還要考慮各種結(jié)構(gòu)UPS的局限性和不足之處。
Uninterruptable Power System，意為不間斷電源，顧名思義，*是當(dāng)停電時能夠接替市電持續(xù)供應(yīng)電力的設(shè)備。
二、UPS技術(shù)指標(biāo)
隨著UPS產(chǎn)品的技術(shù)不斷發(fā)展與完善，現(xiàn)在UPS產(chǎn)品已日趨成熟?，F(xiàn)代UPS可以達(dá)到的優(yōu)越技術(shù)指標(biāo)，使得在市電的任何惡劣條件下，都能保證用電設(shè)備對電源質(zhì)量的要求。這些技術(shù)要求主要包括：
(1)市電寬幅的電壓波動對其影響;
(2)市電電壓波形失真對其影響;
(3)市電的三相不平衡對其影響;
(4)UPS輸出電壓穩(wěn)定精度;
(5)UPS輸出電壓波形失真度;
(6)UPS輸出頻率穩(wěn)定度;
(7)UPS輸出電壓平衡度;
(8)UPS輸入功率因素;
(9)UPS電流輸入諧波成分;
(10)UPS在市電掉電后切換時間;
(11)UPS整機(jī)運(yùn)行效率;
(12)UPS輸出的過載能力;
(13)UPS輸出電流的THD系數(shù);
(14)市電掉電后的UPS維持工作時間;
(15)UPS是否具有網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)通訊以及基于該基礎(chǔ)上的信息通信;
三、UPS電源的分類
UPS電源從運(yùn)作方式上可分為動態(tài)式和靜態(tài)式兩種。動態(tài)式UPS由整流器、電池、直流電動機(jī)、柴(汽)油機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，是UPS的較早形式，具有穩(wěn)定可靠，維護(hù)技術(shù)比較簡單的優(yōu)點。但設(shè)備龐大笨重，效率低，噪聲大，目前已應(yīng)用不多。通常人們所指的UPS大都指靜態(tài)式UPS，靜態(tài)式UPS采用了大功率逆變技術(shù)和強(qiáng)電流電子開關(guān)，實現(xiàn)大功率的電能轉(zhuǎn)換，更能適應(yīng)于當(dāng)今IT行業(yè)、自動化控制和精密儀器等的普遍應(yīng)用。
靜態(tài)UPS可以以內(nèi)部結(jié)構(gòu)、輸出波形、容量、后備時間來分類，其中按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為后備式、雙逆變在線式及在線互動式。以內(nèi)部結(jié)構(gòu)分類是現(xiàn)行*被接受的，并以此來判定不同**的UPS的優(yōu)劣，本文主要以該種方式來描述。
1.后備式
當(dāng)市電正常供電時，直接供應(yīng)給負(fù)載使用，同時有一回路經(jīng)充電回路對電池組充電。若市電的電壓不穩(wěn)定或市電發(fā)生異常.則由UPS的變流器提供穩(wěn)定的電力給負(fù)載使用。多數(shù)此類產(chǎn)品的輸出波形皆為方波或階梯波。
后備式結(jié)構(gòu)其內(nèi)部電路設(shè)計上相當(dāng)簡單，而且在實際上運(yùn)作的過程中，交流輸入電源直接輸出至電源輸出端，幾乎沒有電力損耗，輸出效率可達(dá)98%以上。但在執(zhí)行一般性的電源輸出入動作時，當(dāng)外部所提供的輸入電源品質(zhì)不佳(電壓不穩(wěn)、頻率變動、雜波、扭曲等因素)，在輸出端也會以同樣狀態(tài)來輸出電源。所以往往在交流旁路上配置了交流穩(wěn)壓電路和濾波電路加以改善，提高了UPS雙向抗*功能。其主要特點是：當(dāng)UPS發(fā)現(xiàn)外部發(fā)生停電情形，切換至內(nèi)部電池輸出電力的所需時間一般為4ms——10ms，對一般的計算機(jī)設(shè)備的工作不會造成影響。由于輸出有轉(zhuǎn)換開關(guān)，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS工作時輸出波形大都為方波，供電質(zhì)量相對較差。UPS輸出功率做大有一定困難，只適用于要求不高的場合，并且功率一般都較小，多在2kVA以下。但后備式UPS產(chǎn)品有著價格優(yōu)勢，比較便宜。
2.雙逆變在線式
在線式UPS電源一般采用雙變換模式。即使在電網(wǎng)電壓正常供電時，UPS的輸出，也是將外來電壓經(jīng)過本身的加工轉(zhuǎn)換后再供給負(fù)載，也*是說，當(dāng)市電正常供電時.市電經(jīng)濾波回路及突波吸收回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經(jīng)由充電回路對電池組充電，另一個則是經(jīng)整流回路，作為變流器的輸入，再經(jīng)過變流器的轉(zhuǎn)換提供凈化過的交流電力給負(fù)載使用;此時若市電發(fā)生異常.變流器的輸入則改由電池組來供應(yīng)，變流器持續(xù)提供電力，達(dá)到完全不斷電。
由此可知，不論市電電力質(zhì)量如何，其輸出均是穩(wěn)定且純凈的正弦波電源。雙逆變在線式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源，因為它從根本上**了來自電網(wǎng)的電壓波動和*對負(fù)載的影響，真正實現(xiàn)了對負(fù)載的無*、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻以及零轉(zhuǎn)換時間。雙逆變在線式UPS的這種特點。使它比較適合于用外加電池或加裝優(yōu)質(zhì)發(fā)電機(jī)的方法，改裝成長時間不間斷供電系統(tǒng)，所以它多被用在供電質(zhì)量要求很高的場所。但是無論市電有無，全部負(fù)載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對負(fù)載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(shù)(一般只達(dá)到3：1)，過載能力、輸出功率因數(shù)(一般為0.8)、輸出有功功率小于標(biāo)定的功率數(shù)，應(yīng)付沖擊性負(fù)載的能力等;同時整流器多為整流電路，對電網(wǎng)形成電流諧波*，輸入功率因數(shù)低，經(jīng)濾波后，*小的諧波電流成分在10%左右，而輸入功率因數(shù)只有O.8左右，如果在整流器中使用功率因數(shù)校正技術(shù)，則可把輸入功率因數(shù)提高到接近1，輸入電流諧波成分也會大幅度降低;還有在市電存在時，由于兩個逆變器都承擔(dān)****的負(fù)載功率，所以整機(jī)效率低，10kVA以下的UPS為80%左右，50kVA的可達(dá)85%～90%，l00kVA以上的可達(dá)90%～92%。
3.在線互動式
介于后備式和在線式工作方式之間的UPS設(shè)備，當(dāng)市電電源在約l50V～264V的范圍內(nèi)，它向用戶提供經(jīng)鐵磁諧振穩(wěn)壓器或經(jīng)變壓器抽頭調(diào)壓處理的一般市電電源對于這種UPS來說，僅僅當(dāng)市電電源電壓低于150V或高于264V左右時，它才有可能向用戶提供真正的“UPS逆變器高質(zhì)量的正弦波”電源。
在線互動式集中了后備式UPS效率較高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點。其原理與后備式不斷電系統(tǒng)相去不遠(yuǎn)，主要不同在于此類產(chǎn)品將充電回路與變流器整合為雙向轉(zhuǎn)換回路，采用了鐵磁諧波變壓器，可自動監(jiān)測輸入電壓是否符合于正常范圍內(nèi)，如有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供較穩(wěn)定之輸出電壓因此在線互動式UPS也有轉(zhuǎn)換時間，比后備式UPS短。同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，逆變器與輸出直接接在一起，沒有轉(zhuǎn)換開關(guān)的限制，所以輸出功率可提高到5kVA～10kVA，而其*大的優(yōu)點是具有較強(qiáng)的軟件功能?？紤]到與充電逆變器共用一個模塊，在給電池充電時，由逆變器產(chǎn)生的高頻成分很難濾掉，充電效果不是非常令人滿意，故不適合作長延時的UPS。在線互動式UPS價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于在線式UPS，只比后備式UPS價格稍高，也是一種適合小型辦公或家庭使用的UPS，為了進(jìn)一步改善在線互動式的功能，可在輸入開關(guān)和智能調(diào)壓之間串接一個電感，串聯(lián)電感對逆變輸出反饋到電網(wǎng)的電流有很強(qiáng)的抑制作用。避免了輸入開關(guān)未斷開時短路逆變器輸出的危險，當(dāng)市電掉電時，逆變器可立即向負(fù)載供電，也可以使在線互動式的轉(zhuǎn)換時間減小到零，使其完全具備雙逆變在線式的轉(zhuǎn)換功能，同時還增加了整個UPS的抗*能力。但是，這樣做卻帶來了降低UPS輸入功率的不良后果。
4.雙逆變電壓補(bǔ)償在線式
雙逆變電壓補(bǔ)償技術(shù)也稱為Delta技術(shù)，是目前國際上*領(lǐng)先的技術(shù)。它成功地將交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理運(yùn)用到UPS的主電路中，當(dāng)市電存在時，兩組逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器承擔(dān)的*大功率僅為輸出功率的20%。這***了UPS的輸出能力和過載能力，不再對負(fù)載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負(fù)載，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的功率值。總而言之，Delta技術(shù)的運(yùn)用，不僅彌補(bǔ)了原來在線式的不足，還使得許多主要指標(biāo)有了新的突破。
逆變電壓補(bǔ)償在線式同樣是雙逆變電路結(jié)構(gòu)和在線工作，當(dāng)市電存在時。整流器和變流器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器負(fù)擔(dān)的*大功率(當(dāng)輸入電壓處于上限和下限時)僅為輸出功率的20%(相當(dāng)于輸入電壓變化范圍)，所以功率強(qiáng)度很小(1/5)，功率余量大，這*大大**了UPS的輸出能力，提高了整機(jī)效率(很大的功率范圍內(nèi)都可達(dá)到96%)，乃至元器件、整機(jī)的壽命和可靠性;與雙逆變在線式相比，過載能力**(200%，lmin)。整流器同時完成了對輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于l，輸入諧波電流降到3%以下。
四、UPS運(yùn)行方式
UPS有四種操作運(yùn)行模式：正常操作模式、停電模式(電池供電)、備用電源模式和維護(hù)旁路模式。
1、 正常操作模式：在正常交流電源供應(yīng)下，整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電源后，供電給逆變器并同時對電池充電。在將交流電整流為直流電時，整流器能將市電中所產(chǎn)生的異常波形、噪聲及頻率不穩(wěn)定等問題**，使逆變器提供更穩(wěn)定的電源給負(fù)載。
2、 停電模式：當(dāng)交流電源發(fā)生異?；蛘髌?、電抗器故障時，電池組提供電能給逆變器，使交流輸出不會有中斷現(xiàn)象，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)輸出負(fù)載的作用。
3、 備用電源模式：當(dāng)逆變器發(fā)生異常狀況如逆變器保險絲熔斷、元件溫度過高、短路等故障時，逆變器會自動切斷以防止損壞，若此時旁路交流電源正常時，靜態(tài)開關(guān)會將電源供應(yīng)轉(zhuǎn)為由旁路備用電源輸出給負(fù)載使用。
4、 維護(hù)旁路模式：當(dāng)UPS要進(jìn)行維修或更換電池而且負(fù)載供電又不能中斷時，可以先切斷逆變器開關(guān)然后**旁路開關(guān)，再將整流器和備用電源開關(guān)切斷。在手動維護(hù)旁路轉(zhuǎn)換的過程中，交流電源經(jīng)由維護(hù)旁路開關(guān)繼續(xù)供應(yīng)電源給負(fù)載，此時，維護(hù)人員可以**地對UPS進(jìn)行維護(hù)。
在UPS的使用過程中尤其不能忽視的是維護(hù)檢修工作，再好的設(shè)備也有壽命，也會出現(xiàn)各種故障，不能因為其高智能、免維護(hù)或者是進(jìn)口設(shè)備而忽略了本應(yīng)進(jìn)行的維護(hù)工作，預(yù)防在任何時候都是**運(yùn)行的重要保障。
五、結(jié)束語
不間斷電源UPS及以它為核心的供電系統(tǒng)被設(shè)置在市電電網(wǎng)與負(fù)載設(shè)備之間，目的是改善對負(fù)載的供電質(zhì)量，在市電故障時，保證負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行，升通過智能管理、智能監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)對整體電力基礎(chǔ)設(shè)施的保護(hù)，成為一個有強(qiáng)大管理功能的信息技術(shù)設(shè)備，已經(jīng)完全融于企業(yè)信息系統(tǒng)，并成為其中不可缺少的一部分。