近年來,隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心也迎來了一個飛速變革的時期。作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的重要組成部分,UPS也開始發(fā)生變化?？煽?、高效、易用、易維護成為越來越多UPS廠家關注的重點。那么從UPS誕生至今,共經過了哪些變化?是什么引起了這些變化?現(xiàn)在市場上主流產品有哪些?文中將對這幾個問題進行解答。

1 UPS分類方法

UPS的分類方法很多,按儲能方式大致可分為動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS,動態(tài)UPS和靜態(tài)UPS又可以細分為后備式、在線互動式、在線雙轉換式等;從技術上又有工頻和高頻之分,高頻機中又細分為塔式高頻機和模塊化高頻機。

(1)動態(tài)UPS分類

動態(tài)UPS是通過旋轉部件釋放動能,其典型代表是飛輪UPS。飛輪UPS在市場上的應用主要有如下幾種:

①在線雙變換式飛輪UPS

該結構使用飛輪代替了電池進行儲能,需要搭配傳統(tǒng)UPS,因此應用比較局限。圖1給出了在線雙變換式飛輪UPS的組成。

②旋轉在線式飛輪UPS

圖2為旋轉在線式飛輪UPS的組成。該解決方案替代傳統(tǒng)UPS。

耦合扼流圈主要功能是實現(xiàn)電能轉換、補償和濾波。核心部件是M/G電動-發(fā)電機,市電正常時作為電動機帶動飛輪(給飛輪充電),市電異常時飛輪放電,作為發(fā)電機,完全是機械式取代電力子變換,沒有電力電子變換的精確控制,電網(wǎng)適應性和逆變出的電能質量會變差。

③在線互動式飛輪UPS

該方案替代傳統(tǒng)UPS+電池方案。圖3為在線互動式飛輪UPS的組成。其工作原理同在線互動式UPS,類似一個有源濾波器,可實現(xiàn)簡單的濾波和穩(wěn)壓功能,拓撲簡單,效率較高。但是電網(wǎng)適應性和輸出性能指標明顯偏差。

④三種動態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力對比

以上是三種比較典型的動態(tài)UPS,表1對這三種動態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力做一個簡單的對比。

從表1可以看出,在線雙變換式飛輪UPS是抗*能力最強的,但是這種飛輪UPS必須搭配傳統(tǒng)UPS進行使用,應用比較局限,目前國內應用最多的是在線互動式飛輪UPS。

(2)靜態(tài)UPS分類

靜態(tài)UPS以電池為儲能工具。從工作原理分類來說,常見的靜態(tài)UPS主要有后備式、在線互動式、Delta變換式以及在線雙變換式四種。

①后備式UPS

后備式UPS只有在供電異常時才啟動逆變器,正常供電時,無法對市電電網(wǎng)問題進行調節(jié),供電質量相對較差,但其效率較高。

該架構多用于容量小于3kVA的UPS,結構簡單,一般備電時間在10min左右,通常是方波輸出,主要應用場景是PC機等。圖4為后備式UPS的原理圖。

②互動式UPS

互動式UPS相比后備式而言,增加了穩(wěn)壓環(huán)節(jié),供電質量好于后備式UPS。其成本低、電路比較簡單,但是無法消除輸入失真和*。并且切換時有轉換時間。該架構應用于功率容量5kVA以下的小容量UPS,通常是方波輸出或模擬正弦波輸出。多用于對PC或辦公設備提供保護。圖5為在線互動式UPS的原理圖。

③Delta變換式UPS

Delta變換式UPS的核心為Delta變換器和主變換器。圖6為Delta變換式UPS的原理圖。

Delta變換器的作用是:控制輸入電流,是一個高阻正弦波電流源;控制電流充電;補償輸入電壓,保證輸出電壓穩(wěn)定不變;控制調整輸入功率因數(shù)。

主變換器的作用是:控制并穩(wěn)定輸出電壓,是一個低內阻正弦波電壓源;給電池充電;市電掉電時,向負載供電;市電正常時,補償負載電流中的無功和諧波成分。

從Delta變換器和主變換器的作用可以看出,Delta變換式UPS對輸入調節(jié)能力更強,當然,結構也比在線互動式復雜。該架構應用于功率容量20～200kVA的UPS,輸出為正弦波。

④在線雙變換式UPS

在線雙變換式UPS能為負載提供很完美的保護,可以濾除電網(wǎng)中幾乎所有的*和諧波,缺點是架構復雜,一般成本較高。該架構應用于功率容量為1～1200kVA的UPS;與以上幾個架構對比,其可靠性最高。目前80%的UPS均采用該架構,輸出為標準正弦波,主要對IT負載或其它行業(yè)重要負載提供保護。圖7為在線雙變換式UPS的原理圖。

UPS的工作狀態(tài)有多種,分別為主路模式、靜態(tài)旁路模式、電池模式以及維修旁路模式。在線雙變換式UPS從架構還分為工頻機和高頻機。

(3)靜態(tài)UPS抗電網(wǎng)*能力對比

表2為上述四種靜態(tài)UPS架構抗電網(wǎng)*能力的對比?？梢钥闯?在線雙變換式UPS是抗電網(wǎng)*能力最強的。

(4)動態(tài)與靜態(tài)UPS的對比

靜態(tài)UPS與動態(tài)UPS最大的區(qū)別在于其儲能方式,一個是電池儲能,一個是飛輪儲能,表3對比這兩種儲能方式的優(yōu)劣。

從表3可以看出蓄電池儲能與飛輪儲能各有優(yōu)劣,但是飛輪儲能的后備時間一般僅有15s,這使得其使用場景受到很大的限制。

表4以華為UPS5000系列在線雙變換式UPS和ActivePower在線互動式飛輪UPS為例的參數(shù)對比。

從表4可以看出,除效率外,其他參數(shù)UPS5000系列在線雙變換式UPS的參數(shù)要優(yōu)于ActivePower飛輪UPS,并且在UPS通常工作的低載段(40%)效率并不輸給飛輪UPS。

通過以上兩個對比我們可以得出如下結論:

①與傳統(tǒng)UPS相比,飛輪UPS在節(jié)能、環(huán)保等方面具備一定優(yōu)勢;

②飛輪UPS由于固有的缺陷,應用存在局限性:備電時間短,僅15s,油機啟動失敗會造成嚴重停電事故;價格昂貴,且必須與油機配合使用,增加了初始投資;系統(tǒng)復雜,需要原廠專業(yè)維護,維護成本高;電網(wǎng)適應性差,輸入輸出性能指標都不如在線雙變換式UPS。

基于上述分析,飛輪UPS僅適用于以下場景:可接受新技術的綠色環(huán)保型供電系統(tǒng);電網(wǎng)質量很好、較少有斷電事故、系統(tǒng)可靠性要求不高的場合。

2 高頻機與工頻機的對比分析

靜態(tài)UPS目前應用最廣泛的是在線雙變換式UPS,這也是抗*能力最強的靜態(tài)UPS,而在線雙變換式UPS從產生至今也經過了從工頻機到高頻機的演進。

(1)工頻與高頻介紹

工頻UPS即基于變壓器的UPS(Transformer-basedUPS),因早期使用SCR半控器件整流,工作頻率與電網(wǎng)頻率一致而得名。

高頻UPS即無需變壓器的UPS(Transformer-lessUPS),高頻UPS相比于傳統(tǒng)工頻UPS,因整流頻率在10kHz以上而得名。

工頻UPS在發(fā)展過程中,從SCR整流變?yōu)镮GBT整流,并且不再使用隔離變壓器。因此雖然從名稱上看工頻與高頻是基于頻率來命名,但是業(yè)內一般用有無隔離變壓器來做區(qū)別。

(2)工頻UPS的演進

工頻UPS從出現(xiàn)至今,經歷過表5所示的幾次發(fā)展與變化。

現(xiàn)代工頻UPS已經是使用IGBT整流的、加了隔離變壓器的高頻UPS。

(3)工頻到高頻發(fā)展的原因

從工頻到高頻,探究其發(fā)展原因,主要有以下兩點:

①市場的需求。隨著節(jié)能減排、綠色等要求的提出,要求UPS更高效,另一方面也要求安裝維護更方便,這些因素推動整個UPS架構的發(fā)展;

②技術的進步。一方面是器件技術的進步,硅進銅退,在經歷了MOSFET、IGBT等功率器件的更新?lián)Q代、DSP與數(shù)字電路的廣泛應用、LLC、軟開關、三電平逆變等新拓撲的逐漸成熟后,高頻化、數(shù)字化、智能化已成為電子產品的主流趨勢。“銅”所代表的變壓器、濾波電感等傳統(tǒng)模擬電路器件正逐漸被“硅”所代表的各種單片機、控制芯片、新型半導體功率器件等數(shù)字電路器件所代替。另一方面軟件的迅速發(fā)展也使得數(shù)字電路技術可以替代部分模擬技術的功能。

(4)工頻機與高頻機對比

可以從以下幾方面對工頻機與高頻機進行對比:

①可靠性,高頻機的可靠性不弱于工頻機

高頻機發(fā)展至今,在可靠性上已經不弱于工頻機,甚至猶有勝之,見表6;

②環(huán)境適應性,高頻機要優(yōu)于工頻機

高頻機是以微處理器作為處理控制中心,將繁雜的硬件模擬電路燒錄于微處理器中,以軟件程序的方式來控制UPS的運行。因此,體積、重量等方面都有明顯的降低,噪音也較小,對空間、環(huán)境影響小;

③投資角度,高頻機要優(yōu)于工頻機

從設備本身投資角度考慮,二者相差不大(部分廠家高頻機價格好,部分廠家工頻機價格有優(yōu)勢),但綜合考慮二者的效率、柴油機配比等問題,從整體投資角度,高頻機要優(yōu)于工頻機。

例如,某著名廠商的工頻機(12脈沖+11次諧波濾波器),其建議和柴油發(fā)電機組的最低配比為1:1.4。而同樣該廠商的高頻機,和柴油發(fā)電機組的配比理想狀態(tài)為1:1(通?？紤]1:1.1);

④節(jié)能角度,高頻機要優(yōu)于工頻機

現(xiàn)在市場上各廠商產品,高頻機的半載效率普遍優(yōu)于工頻機,通常高頻機半載效率可達94%,而工頻機半載效率一般為88%左右;

⑤工頻機體積重量大,安裝施工困難

由于變壓器的存在,工頻機的占地面積和重量大大超過同功率下的高頻機,由此造成安裝施工困難,增加安裝施工成本。

綜上所述,高頻機在各方面的表現(xiàn)都優(yōu)于工頻機,相信在未來會逐步取代市面上的工頻機。

3 結束語

從UPS的整個發(fā)展歷程來看,總體來說是在保證可靠性的基礎上,朝著效率越來越高,維護安裝越來越方便的方向發(fā)展的。工頻機發(fā)展到高頻機后,在高頻機的基礎上又有很多分支,比如塔式機,類模塊化機器以及模塊化機器。以UPS的整個發(fā)展趨勢來看,未來高頻模塊化UPS是其主要發(fā)展方向。

文章來源：ups不間斷電源維修http://huixinhengtong.cn/solve_ups.asp