雙變換UPS技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2019-03-04
雙變換UPS
雙變換UPS輸入采用晶閘管相控整流，輸出配備隔離變壓器。該類(lèi)UPS是當(dāng)前市場(chǎng)的主流機(jī)型，目前市場(chǎng)上各大型通訊局站均配備該種機(jī)型。該系統(tǒng)由整流器/充電器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成。正常的情況下，市電電源經(jīng)整流器/充電器變換為直流電，供給逆變器同時(shí)給蓄電池充電。逆變器將直流電變換為交流電給負(fù)載供電。當(dāng)市電出現(xiàn)故障時(shí)，逆變器由蓄電池供電繼續(xù)運(yùn)行，為負(fù)載提供電源。當(dāng)整流器/充電器、逆變器、蓄電池中任何部件故障、負(fù)載故障或過(guò)載時(shí)，由靜態(tài)開(kāi)關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)換至市電，由市電應(yīng)急供電，這稱(chēng)為旁路方式。
該種機(jī)型UPS采用晶閘管相控整流，具有成本低、效率高的特點(diǎn)。另外，輸出采用隔離變壓器隔離輸出，保證了系統(tǒng)的**可靠。在這種UPS中，市電電源經(jīng)過(guò)了整流/逆變兩次電力變換，使負(fù)載設(shè)備與市電電源完全隔離。實(shí)際上，UPS接收市電電源進(jìn)行變換和調(diào)節(jié)，再生了全新的連續(xù)的高質(zhì)量交流電源，其輸出指標(biāo)如電壓和頻率穩(wěn)定度(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))、波形失真度等都達(dá)到了很高的水平。由于逆變器在市電正常和故障時(shí)均連續(xù)為負(fù)載供電，從市電供電向蓄電池供電的轉(zhuǎn)換過(guò)程中不產(chǎn)生中斷。
雙變換UPS中的靜態(tài)開(kāi)關(guān)是非常重要的部件，因?yàn)樵S多逆變器特別是PWN逆變器的過(guò)載能力較差，一般不能承受較大的負(fù)載設(shè)備的啟動(dòng)電流和負(fù)載短路電流。在這種情況下，逆變器將進(jìn)入限流狀態(tài)，故一般不能啟動(dòng)較大的負(fù)載設(shè)備或在輸出短路時(shí)不能熔斷輸出熔斷器以排除故障。當(dāng)UPS輸出電流大于一定值時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)將負(fù)載轉(zhuǎn)換市電電源，利用市電啟動(dòng)負(fù)載或排除故障。
雙變換UPS中的整流器/充電器、逆變器均為連續(xù)工作，其內(nèi)部的半導(dǎo)體元件長(zhǎng)期處于滿(mǎn)負(fù)載狀態(tài)，負(fù)載浪涌電流的沖擊也會(huì)使半導(dǎo)體元件承受較大的應(yīng)力，造成潛在的故障。因此，雙變換UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)和整流器/充電器、逆變器都是非常關(guān)鍵的部件，其半導(dǎo)體元件一般都降額使用或按照冗余方式設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性。
雙變換UPS系統(tǒng)的不足
a. 輸入紋波電流大
雙變換UPS的輸入端一般采用6脈沖晶閘管相控整流器，有些大功率UPS采用12 脈沖晶閘管相控整流器。這些整流器內(nèi)部的晶閘管整流元件在每個(gè)電源周期內(nèi)輪流導(dǎo)通，因?yàn)閾Q相時(shí)連接在交流電源不同相線上的兩個(gè)晶閘管在短暫的時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通，造成瞬時(shí)電源相間短路，因而在電源電壓波形上形成了所謂換相凹口，實(shí)際上*是電壓波形失真。
此外，當(dāng)某個(gè)整流元件被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，市電電源相應(yīng)的相電壓*突然加到直流側(cè)的濾波電感上，使該相電流突然上升，由于濾波電感足夠大，電流基本上保持恒定，直到下一個(gè)整流元件被觸發(fā)導(dǎo)通。結(jié)果形成了脈沖型的輸入電流波形。因此該種電流波形不是平滑的正弦波,這種非正弦波是由基波和諧波分量組成的。輸入端為6脈沖整流器的雙變換UPS的輸入電流中含有5、7、11和13次等諧波分量，總諧波失真(THD)可達(dá)30%以上。采用12脈沖整流器時(shí)，含有11，13次等諧波分量，總諧波失真為10%左右。
另外，諧波電流在配電系統(tǒng)中流動(dòng)時(shí)，由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致電路阻抗增加，引起附加的損耗，使電纜、配電設(shè)備、熔絲、變壓器和備用發(fā)電機(jī)發(fā)熱，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)的可靠性降低。
b. 電源電壓波形失真較大
在電源系統(tǒng)中，非線性負(fù)載可以等效為一線性負(fù)載和一系列的諧波電流源(多個(gè)不同頻率的諧波電流源)的疊加。因此可以認(rèn)為，連接到50Hz市電電源上的非線性負(fù)載從電源吸收基波電流并向電源反饋諧波電流，諧波電流沿著阻抗*小的通道流向電源。
諧波電流流過(guò)電源的內(nèi)阻Zsn (對(duì)諧波電流的阻抗)時(shí)，將產(chǎn)生諧波電壓。第n次諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓為：
Vn=In? Zn
電源輸出電壓Vn等于基波電壓與諧波電壓的向量和，諧波電壓疊加在基波電壓V1上，必然引起較大的電源電壓失真。
由于電源電壓失真，還會(huì)產(chǎn)生更大的諧波電流。因?yàn)槭д骐娫措妷罕旧戆鞣N頻次的諧波電壓，加在線性負(fù)載上也會(huì)產(chǎn)生相同頻次的諧波電流。電源電壓失真會(huì)使電源系統(tǒng)的電容器、變壓器等產(chǎn)生附加的發(fā)熱，并能引起某些靈敏負(fù)載設(shè)備的工作異常。
c. 功率因數(shù)較低
在線性電路中，功率因數(shù)等于電壓和電流之間的相角的余弦(cos↓)，通常稱(chēng)為相移功率因數(shù)。在非線性電路中，相移功率因數(shù)僅適用于基波功率，對(duì)于諧波功率需采用失真功率因數(shù)。因?yàn)榉蔷€性負(fù)載的電流是由基波和各次諧波電流組成的，非線性負(fù)載功率等于基波和諧波電流產(chǎn)生的功率之和。由于電源電壓本質(zhì)上是基波電壓(無(wú)諧波電壓)，故只有基波電流能夠產(chǎn)生有功功率。而諧波電流只能產(chǎn)生無(wú)功功率，使視在功率增加。諧波電流越大，視在功率越大。而基波電流是由負(fù)載功率要求決定的，在一定的負(fù)載條件下，基波電流是固定的，因此有功功率是固定的。
非線性電路的總功率因數(shù)由相移功率因數(shù)與失真功率因數(shù)兩部分組成。因此，諧波電流越大，總功率因數(shù)越低。低功率因數(shù)將使輸入電流增大，不但產(chǎn)生了附加的配電損耗，而且可能引起斷路非正常跳閘、熔斷器非正常熔斷。
值得指出的是，由諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功率不可能用常規(guī)的功率因數(shù)校正電容器加以補(bǔ)償。而且諧波電流還有可能引發(fā)系統(tǒng)諧振，因?yàn)殡娙萜髋c系統(tǒng)電感的組合可能在某諧波頻率上發(fā)生諧振，諧振電流會(huì)引起電壓失真，使電容器發(fā)熱。
此外，由于雙變換UPS控制方式采用模擬控制，因此容易產(chǎn)生器件參數(shù)飄移
雙變換UPS的優(yōu)點(diǎn)
該種機(jī)型*大的優(yōu)點(diǎn)*是效率較高，單機(jī)成本較低。由于輸入采用晶閘管相控整流，在成本和功耗上相對(duì)現(xiàn)在Liebert推出的iTrust系列大容量UPS具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是后者有良好的輸入特性。
UPS新技術(shù)
針對(duì)上述傳統(tǒng)雙變換UPS的缺點(diǎn)，**上各大型UPS廠家均著力開(kāi)發(fā)新一代性能更優(yōu)越的UPS，如Liebert公司*近推向市場(chǎng)的iTrust系列大容量UPS充分考慮了現(xiàn)有客戶(hù)需求，在于輸入采用高頻整流技術(shù)，輸入功率因素高達(dá)0.99以上，輸入諧波電流＜3%。另外，整流器與逆變器均采用全數(shù)字的控制方案，適應(yīng)了現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展要求。輸出依然采用傳統(tǒng)的輸出隔離變壓器，**了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)大大降低了控制失敗導(dǎo)致的輸出直流電壓對(duì)用戶(hù)負(fù)載的損壞幾率，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。
另外，低成本高性能的高頻機(jī)也將在一段時(shí)間之后成為市場(chǎng)的主流機(jī)型。該種機(jī)型UPS是在上述未來(lái)主流機(jī)型基礎(chǔ)上省去了輸出隔離變壓器，大大節(jié)省了成本，大約為上述機(jī)型的60%，*具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。缺點(diǎn)是目前該種技術(shù)不夠成熟，可靠性較低。但是，隨著技術(shù)水平的提高，可靠性將會(huì)大大**，相信不久的將來(lái)，該種機(jī)型將成為未來(lái)UPS的新型主流機(jī)型。
在散熱技術(shù)方面，目前大部分的UPS都采用散熱器風(fēng)冷散熱，成本較高，而且噪音很大，特別是大功率UPS(容量在60kVA以上)，噪音問(wèn)題尤其突出。為了在散熱問(wèn)題上有所突破，各大型UPS廠家均投入大量的財(cái)力、人力進(jìn)行研究。目前，MGE推出的新型高頻機(jī)所采用的水冷散熱技術(shù)具有新的突破，盡管該種散熱技術(shù)還不是完全意義上的水冷，但是其成本低、散熱均勻，需要的風(fēng)扇功率小，有效降低了系統(tǒng)噪聲。