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UPS不间断电源设备构造及应用

作者:admin 更新时间:2019-01-08 16:17:46  阅读次数:Times
   

构造

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从基本应用原理上讲,UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。1)整流器:整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器;第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用;
2)蓄电池:蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置,它由若干个电池串联而成,其容量大小决定了其维持放电(供电)的时间。其主要功能是:1当市电正常时,将电能转换成化学能储存在电池内部。2当市电故障时,将化学能转换成电能提供给逆变器或负载;
3)逆变器:通俗的讲,逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成;
4)静态开关:静态开关又称静止开关,它是一种无触点开关,是用两个可控硅(SCR)反向并联组成的一种交流开关,其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统,其作用是实现从一路到另一路的自动切换;并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。

种类

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UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。
其中,我们最常用的是后备式UPS,它具备了自动稳压、断电保护等UPS最基础也最重要的功能,虽然一般有10ms左右的转换时间,逆变输出的交流电是方波而非正弦波,但由于结构简单而具有价格便宜,可靠性高等优点,因此广泛应用于微机、外设、POS机等领域。
在线式UPS结构较复杂,但性能完善,能解决所有电源问题,如四通PS系列,其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电,能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题;由于需要较大的投资,通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。
在线互动式UPS,同后备式相比较,在线互动式具有滤波功能,抗市电干扰能力很强,转换时间小于4ms,逆变输出为模拟正弦波,所以能配备服务器、路由器等网络设备,或者用在电力环境较恶劣的地区。

应用

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不间断电源现已广泛应用于:矿山、航天、工业、通讯、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备UPS不间断电源 应急照明系统、铁路、航运、交通、电厂、变电站、核电站
消防安全报警系统
无线通讯系统、程控交换机、移动通讯
太阳能储存能量转换设备
控制设备及其紧急保护系统、个人计算机
等领域。

电源常识

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1、UPS全名为Uninterruptable Power System(或Uninterruptable Power Supply),在因事故停电或电源品质不佳时,UPS能提供高品质及最经济的电源,确保电脑资料的完整及精密仪器的正常操作。
2、UPS的电性能指标有哪些,如何分类?
UPS的电性能指标有基本电性能(如输入电压范围、稳压率、转换时间等)、认证性能(如安全认证、电磁干扰认证)、外观尺寸等。依输出电压波形在市电断电时是否具有转换时间,可将UPS分类为后备式(Off Line,有转换时间)与在线式(On Line,无转换时间)两种。在线互动式(Line Interactive)由于仍有转换时间,因此被视为是后备式的一种变型,只是充电时间较后备式的短而已。后备式与在线式UPS的另一个主要区别是稳压率,在线式的稳压率一般在2%以内,而后备式至少在5%以上。因此,若用户的负载设备属高阶通讯设备、医疗仪器、微波接收设备时,以选择在线式UPS较佳。
3、负载(例如计算机)对UPS常规电性能指标有哪些,其使用量的范围。
计算机与其他一般办公室设备一样,属整流电容负载,此类负载功率因数一般在0.6~0.7之间,且相对应的峰值因数只有2.5~2.8倍。而其他一般的马达负载功率因数也只在0.3~0.8之间。因此一般UPS只要设计上具有功率因数0.7或0.8,而峰值因数3以上即可符合一般负载的需求。高阶计算机对UPS的另一需求为具有低的零地电压,具有超强防雷击保护措施,可短路保护及具有电气隔离等要求。
4、反映UPS对电网适应能力的指标有哪些?
UPS对电网的适应能力指标应包括:①输入功率因数;②输入电压范围;③输入谐波因数;④传导性电磁场干扰大小等指标。
5、UPS输入功率因数低,会产生哪些不良影响?
UPS输入功率因数太低对一般用户而言是用户必须投资更粗的电缆线及空气断路器开关等设备。此外,UPS输入功率因数太低对电力公司较为不利(因电力公司需提供更多的电力才能符合负载所需的实际消耗电力)。
6、反映UPS输出能力和可靠性的指标有哪些?
UPS输出能力即UPS的输出功率因数,一般UPS为0.7(小容量1~10KVA UPS),而新型的UPS则为0.8,有更高的输出功率因数。UPS可靠性的指标为MTBF(平均无故障时间)。在5万小时以上为好。
7、在线式UPS的“在线”含义包括哪些,有哪几个基本特征?
其含义包括:①零转换时间;②输出电压稳压率低;③可过滤输入电源突波、杂波等功能。
8、UPS输出电压的频率稳定性指的是什么,各种类型的UPS有区别?
UPS输出电压频率的稳定性是指空载与满载时UPS输出电压及频率变化的大小。尤其是在输入电压变化范围的最大值与最小值变化时仍能有不错的输出电压频率的稳定性。针对此一要求,在线式UPS要远比后备式及在线互动式优良,而在线互动式UPS则与后备式相差无几。
9、用户在配置和选用UPS时,应考虑哪些因素?
用户应考虑①了解各种架构UPS的适用情况;②考量对于电力质量的要求;③了解所需UPS的容量,并考虑未来扩充设备时的总容量;④选择有信誉的品牌与供应商;⑤注重服务质量。
10、电网质量不好,而又要求100%不能停电的用电场合应该选用什么样的UPS?应该看重UPS的哪些功能指标选用UPS?
电网条件差的地区最好使用长延时(8小时)在线式UPS,电网条件中等或好的地区可考虑用后备式UPS。输入电压频率范围是否宽广、是否有超强防雷击能力、抗电磁干扰能力是否通过认证等均是选用UPS时需要着重考虑的功能指标。
11、用电容量小或者局部供电的场合,应该看重哪些功能指标去选用UPS?
用容量小或局部供电的场合,首先要选择小容量UPS,其次要依其对供电质量的要求高低,选择在线式或后备式UPS。后备式UPS有500VA,1000VA,在线式有1KVA至10KVA可供用户选择。
12、用电容量大或者集中供电的场合,应该看重哪些功能指标去选用UPS?
用电容量大或集中供电的场合,应选择大容量三相UPS。并考虑是否有①输出短路保护;②可接爱100%不平衡负载;③具有隔离变压器;④可作热备份;⑤多国语言图形化LCD显示;⑥可进行远端监控;⑦有超强监控软件,可自动寻呼,自动发E-mail。
13、对于要求长延时供电的场合,看重哪些功能指标去选用UPS?
长延时供电UPS需以满载考虑配置高质量、足够能量的电池,及UPS本身是否具有超大型强充电电流来使外加的电池在短时间内充饱电。UPS要有①输出短路保护;②超强过载能力;③全时间防雷击。
14、对供电智能管理要求高的场合,应该选用什么样的UPS?
应选用可网络监控的智慧型UPS,通过UPS所具有的可在局域网、广域网、因特网上监控的监控软件支援,可使用户对UPS实现网络监控的目的。监控软件要做到①可自动寻呼及自动发E-mail;②可语音自动广播;③可安全地关闭和重新启动UPS;④可跨不同作业平台操作;⑤可预约开机;⑥可做电源状态分析记录;⑦可监看UPS运行状态。并且监控软件需通过微软公司的认证。
15、用户应该对UPS厂商做哪些方面的考察?
①生产厂商是否具有ISO9000及ISO14000认证;②是否为知名品牌,重视客户利益及产品质量情况;③是否在本地有维修中心或服务单位;④是否在安全规格及抗电磁干扰上通过国际认证;⑤UPS是否具有较高的附加价值,例如是否未来可做网络监控或智能监控等

日常维护

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在使用不间断电源系统的过程中,人们往往片面地认为蓄电池是免维护的而不加重视。然而有资料显示,因蓄电池故障而引起UPS主机故障或工作不正常的比例大约为1/3。由此可见,加强对UPS电池的正确使用与维护,对延长蓄电池的使用寿命,降低UPS系统故障率,有着越来越重要的意义。除了选配正规品牌蓄电池以外,应从以下几个方面入手正确地使用与维护蓄电池:
(1)灰尘带入机内沉积、当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常,并发生不准确告警,大量灰尘也会造成器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次。其次就是在除尘时,检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。
(2)虽说储能电池组目前都采用了免维护电池,但这只是免除了以往的测比、配比、定时添加蒸馏水的工作。但外因工作状态对电池的影响并没有改变,不正常工作状态对电池造成的影响没有变,这部分的维护检修工作仍是非常重要的,UPS电源系统的大量维修检修工作主要在电池部分。
  1. 储能电池的工作全部是在浮充状态,在这种情况下至少应每年进行一次放电。放电前应先对电池组进行均衡充电,以达全组电池的均衡。要清楚放电前电池组已存在的落后电池。放电过程中如有一只达到放电终止电压时,应停止放电,继续放电先消除落后电池后再放。
  2. 核对性放电,不是首先追求放出容量的百分之多少,而是要关注发现和处理落后电池,经对落后电池处理后再作核对性放电实验。这样可防止事故,以免放电中落后电池恶化为反极电池。
  3. 平时每组电池至少应有8只电池作标示电池,作为了解全电池组工作情况的参考,对标示电池应定期测量并做好记录。
  4. 日常维护中需经常检查的项目有:清洁并检测电池两端电压、温度;连接处有无松动,腐蚀现象、检测连接条压降;电池外观是否完好,有无壳变形和渗漏;极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出;主机设备是否正常。
  5. 免维护电池要维护,不是什么无稽之谈,应从广义的维护立场出发,做到运行、日常管理的周到、细致和规范性,保证设备(包括主机设备)保持良好的运行状况,从而延长使用年限;保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量;保证电池运行和人员的安全可靠。这就是电池维护的目的,也是电池运行规程中包括的内容和进行规则。
(3)当UPS电池系统出现故障时,应先查明原因,分清是负载还是UPS电源系统;是主机还是电池组。虽说UPS主机有故障自检功能,但它对面而不对点,对更换配件很方便,但要维修故障点,仍需做大量的分析、检测工作。另外如自检部分发生故障,显示的故障内容则可能有误。
(4)对主机出现击穿,断保险或烧毁器件的故障,一定要查明原因并排除故障后才能重新启动,否则会接连发生相同的故障。
(5)当电池组中发现电压反极、压降大、压差大和酸雾泄漏现象的电池时,应及时采用相应的方法恢复和修复,对不能恢复和修复的要更换,但不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起,否则可能会对整组电池带来不利影响。对寿命已过期的电池组要及时更换,以免影响到主机。

技术应用

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一、概述
随着经济的飞速发展以及基层央行对网络建设认识的不断加深,中心机房建设和改造,近几年如火如荼。但随之而来的就是日益庞大的电费开销,中心机房在建设中的投资,其中电气、电源、制冷等系统设施占了一半以上的投资比例,高额的电能消耗使得整个数据中心运行成本居高不中心机房面临“建得起却用不起”的尴尬境地。
降低中心机房的运营成本和节能降耗成了基层央行有关部门关注的问题,节约能源可以从以下几方面入手。首先是机房环境的节能,包括制冷环境、供电环境;其次是从IT硬件设备节能,减少IT设备的能耗;最后是IT设备内部各集成电路的节能,比如CPU的节能等。UPS处于交流供电环节的最重要一环,机房几乎所有的IT设备由UPS供电,提高运行时的能效势在必行。UPS的节能必须从方案、电池、配电等方面全方位进行。
二、按需扩容的柔性规划
一般地市级中心机房的建设都不是一步到位,会考虑今后未来5到10年的需求,但是UPS一般都是一步到位,一次就安装了2套大功率的UPS并机,结果初期负载只有规划容量的10%~20%,没等承载所规划的负载就进入了设备淘汰期。这不仅造成投资的浪费,而且也无法使UPS运行在较高的效率点,造成电能的浪费。如何避免这种情况的发生,从UPS供电系统角度考虑,应该包括以下几个方面。
()供电方案设计
目前UPS供电方案主要有分散供电、集中供电2种。分散供电的特点是一台UPS为一台或多台负载设备供电。分散供电的好处是分散风险,不会因为一台UPS供电异常而造成大面积停电;缺点是UPS分散布置,不便管理,而且布线不易规划。另一种是采用集中供电方
案,由一套大功率的UPS供电系统直接对机房的所有负载供电。集中供电的好处是便于规划、管理方便、维护方便;缺点是如果UPS系统异常,容易引起大面积停电事故,此缺点可以通过采用各种并联构架来避免。因此,以上两种方案各有优缺点,目前的中心机房一般都采用集中供电方案,也集中了供电的风险。当机房UPS装机总容量超过一定限度时,建议将机房按几期规划分成几个区域进行供电。
()UPS在线并机扩容功能
机房UPS容量的规划,可以根据不同时期的负载容量要求采用逐步扩容的方案,使投资方案更经济,同时也能使UPS工作于较佳的效率点。目前中、大功率段的UPS均已经具备冗余并机功能,不仅提高了系统的可靠性,同时也为机房扩容提供了条件。只要规划时在UPS前后配电箱预留足量的空气开关,并在机房规划相应空间,即可实现UPS并机扩容功能。关键是并机的过程处理,多种品牌UPS并机时需要对UPS的设置进行修正,此时要求UPS必须在维修旁路状态工作,UPS由市电直接带载,如果此时市电波动较大甚至停电,将造成系统的大面积瘫痪。所以并机扩容必须具备在线并机功能,即UPS并机扩容时,只需将新增UPS软件修改至与原UPS系统一致后,在不关闭原有UPS系统的情况下直接将新增UPS并入原有系统即可,扩容前后,UPS均工作于在线模式下,避免切换至旁路供电的高风险操作。
()采用模块化UPS实现逐步扩容
目前,模块化UPS已经开始在国内应用,模块化UPS特点主要包括:可扩容、平均故障修复时间(MTTR)短、可经济实现“N+X”冗余并机。以台达C系~IJUPS为例,每个模块为20kVA,整个系统最大可扩容至160kVA,可以根据机房的实际容量需求,逐步扩容,只要在机房初期规划好配电容量即可。同时,实现“N+X”冗余比较划算,以60kVA的容量要实现“N+I”冗余为例,传统方案必须扩容一台60kVAUPS,而采用模块化UPS,则只需扩容一个20kVA的模块即可,节省大笔资金的投入。
三、提高UPS自身能效,优化负载效率曲线
目前UPS均为在线式双变换构架,在其工作时整流器、逆变器均存在功率损耗。以一个容量为60kVA的UPS为例,每度电按1.2元计算,UPS效率每提高1%,一年节省的电费为5045.76元。可见提高UPS的工作效率,可以为数据中心节省一大笔电费,也是降低整个机房能耗的最直接方法。因此采购UPS应尽量采购效率更高的UPS。
当然UPS效率高不仅仅是满载时效率高,同时也必须具备一个较高的效率曲线,特别是在“1+1”并机系统时,根据系统规划,每台UPS容量不得大于50%,如果此次效率仅为90%以下,就算满载效率达到95%以上,也是没有意义的,所以要求UPS必须采取措施优化效率曲线,使UPS效率在较低负载时也能达到较高的效率。
除了提高UPS自身的效率之外,UPS的一些功能也可加以利用。比如像ECO经济运行模式,其原理是在较好的市电环境下,激活此功能,使UPS由静态旁路直接供电,此时逆变器处于待机状态,正常工作但不输出能量,_旦市电异常,UPS立即切换到逆变器供电状态,切换时间一般在1毫秒以内,由于逆变器处于待机状态,所以自身损耗很小,此时UPS的整机效率可以达~1J97%以上,比正常模式减少3%以上的损耗。
使用ECO模式必须具备2个条件:一是静态旁路必须采用两组高可靠晶闸管,不得采用接触器加晶闸管的组合,因为接触器吸合时接触点会打火,一般工作数百次之后就不能正常工作,而晶闸管则不存在此问题,同时可以缩短切换时间。二是建议在较好的电力环境下使用,比如一级供电单位等。
四、降低输入电流谐波,提高功率因数
谐波产生的根本原因是由于电力线路呈现一定阻抗,等效为电阻、电感和电容构成的无源网络。由于非线性负载产生的非正弦电流,造成电路中电流和电压畸变,称为谐波。谐波的危害包括:引起电气组件附加损耗和发热(如电容、变压器、电机等);电气组件温度升高,效率低,加速绝缘老化,降低使用寿命;干扰设备正常工作;无功功率增加,电力设备有功容量降低(如变压器、电缆、配电设备);供电效率低;出现谐振,特别是柴油发电机发电时更严重;空开跳闸、熔丝熔断、设备无故损坏。UPS对电网而言是一个非线性负载,在工作时会产生大量的谐波。以配置6脉冲整流器的UPS为例,其输入功率因数一般为0.75左右,谐波大于30%。降低UPS32作谐波的主要方法有以下几种。
()12脉冲整流器
其原理是在原有6脉冲整流器基础上,在输入侧增加一个移相变压器和6脉冲整流器。采用该技术方案后,可以将谐波降低至10%左右。优点是较为简单,谐波改善明显;缺点是对功率因数改善有限,价格略高。
()无源滤波器
依据LC滤波电路原理,对UPS产生的谐波进行滤除,并对功率因数进行补偿。优点是技术简单,成本较低;缺点是只能补偿将点阶次的谐波,同时受负载阻抗影响较大,无法适用于全功率段。
()有源滤波器
原理是利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。优点是可以补偿多个阶次的谐波,且不受负载阻抗大小的影响;缺点是购置成本较高。
()高频IGBT整流及PFC功率因数校正电路设计
整流器原理是采用高频率PWM控制IGBT导通,对输入电压波形进行分割,使输入的电流波形尽量接近正弦波,并对输入电压和电流相位差进行补偿。优点是体积轻,价格便宜,效果好;缺点是技术结构复杂,不易维护,受功率器件影响,目前容量大小受到限制。
以上几种技术,性能及投资对比,可以根据实际需求选择合适的方案。
五、电池管理及配电管理技术
UPS都配备了电池,用户在电池组上的投资往往占整个UPS供电系统投资的很大比例,甚至超过UPS本身的投资,而电池的使用年限明显低于UPS主机。由于电池主要材料是重金属铅、硫酸和不易分解的塑料,都会对环境造成严重的污染。因此减少电池使用数量,延长电池循环使用寿命,不仅节省直接和间接的电池投资,而且还减少整个机房设备对环境的污染。所以UPS可以通过以下几个技术实现电池的节能。
()并机共用电池组功能
共用电池组原理是通过特殊的整流器隔离故障,使并机系统中的2台或多台UPS的整流同步,母线均流,使系统中的各台UPS母线直接并联,然后将满足系统后备时间要求的电池并联后接人并联母线系统中,实现电池的共享,减少电池投资。以“1+1”为例,传统的UPS方案,系统后备—小时,考虑其中一台UPS故障时,UPS2的电池不能为UPS1使用,所以UPS1和UPS2必须各配置一套-4,时的电池组,才能保障系统在断电后还能备用一小时。采用共用电池组方案后,因为UPS1故障后,系统中的电池仍能为UPS2提供能量,所以整个系统仅需配置一套一小时电池即可。这不仅节省了电池直接投资,同时也节约机房在空间、承重及空调等方面的投资,也降低了对环境的污染。
()智能电池管理技术
影响电池寿命的因素有很多,主要包括温度、充电、放电、循环次数等。如果能够对上述几个因素进行综合处理,可以大大延长电池的使用寿命,延长电池更换周期,节约电池投资。UPS的智能电池管理击包括:电池均浮充管理(均浮充控制)、充电温月智能放电终止电压控制,除此之外还应具备电动检测和电池漏液检测功能。另外还可以选压范围较宽的UPS,减少电池放电次数。通过上述几种技术,可大幅度延长电池寿命2--3年。
()智能UPS配电管理技术
原理是通过侦测UPS电池电压或者管理时间,实现对机房中不同等级负载的多次下电保护功能,减少电池投资,提高电池使用率。智能UP理技术主要有2种方案:软件实现方式及硬式。以台达UPS为例,其软件方式是在UPS监控中,在负载服务器安装Deltashutd0wnAgent关机代理程序。当市电异常并满足电池电压或者定时条件时,会自动保存系统程序,然后关闭服务器。
硬件方式是UPS输出配置一个智能配电屏,通过PLC侦测UPS电池电压或定时要求,当满足上述条件时,智能配电屏根据设定分时关断某路输出。目前此方案已经在国内多条地铁的UPS供电系统中应用。
六、结束语
中心机房节能必须从上至下,或者从基础设施到核心设备全方位抓起,UPS是整个交流供电环节的核心所在,做好UPS的节能不仅可以节约大笔的设备投资和维护费用,同时也大幅度地降低了后期的运行成本。

新进展

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对三相不间断电源系统的各模块电路拓扑、整机电路结构以及各种流行控制策略做了一个概括性评析,指出了不间断电源设计和应用中存在的问题及当前研究的新热点,最后对UPS的发展动向做出了预言。 [1] 
O 引言
在今后相当长的一段时间内,我国市电电网供电不足,电压波动大,干扰严重的局面仍将存在。而各行业、各领域的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求,尤其是实时性很强的重要系统、重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求和我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。因此,不间断电源(UPS)作为一种稳压稳频纯净化的绿色电源越来越成为人们关注的焦点。为了不断提高UPS的性能,科研人员对UPS系统做了大量的研究,提出了很多的电路拓扑与控制策略。
UPS的电路拓扑
UPS的可靠运行离不开各模块的协调工作,下面就UPS主要功能模块电路拓扑进行简要分析。
1.1 整流和功率因数校正电路
整流电路在应用中构成直流电源装置,是公共电网与电力电子装置的接口电路,其性能将影响公共电网的运行和用电质量。高性能的UPS要求有较高的输入功率因数,并尽量减少输入电流的谐波分量。传统单相UPS多采用模拟方法,三相UPS多采用相控式整流电路和电压型单管整流电路。
1.1.1传统三相相控式整流电路和电压型单管整流电路
相控式整流电路采用半控式功率器件作为开关,存在着以下问题:
1)网侧谐波电流的存在将降低设备网侧功率因数,增加无功功率;
2)相控整流换流方式,导致换流期中电网电压畸变,不仅使自身电路性能受到影响,而且对电网产生干扰,对同一接地点的网间其他设备带来不良影响;
3)相控整流环节是一个时滞环节,无法实现输出电压的快速调节。
电压型单管整流电路是三相不控整流桥加Boost电路的简称,它的缺点是:电流峰值大,不仅妨碍系统功率的提高,也增加了导通损耗和开关损耗;为了保持网侧功率因数的提高,Boost电路必须有一定的升压比,这对三相电路会导致直流输出电压过高。
1.1.2电流型三相桥式整流电路
电流型三相桥式整流电路如图1所示,其优点是反馈控制简单,不需要在控制电路中加入电流反馈,只须调节各开关管的占空比就可以实现输入电流正弦化;直流侧的电压较低。缺点是输入电流正弦度不是很好,在输入侧必须加入并联电容,实现移相。这种电路现在开始成为研究的热点之一。这种电路适用于大功率整流电路且对功率因数要求不高的场合。
电流型三相桥式整流电路电流型三相桥式整流电路
1.1.3电压型三相桥式整流电路
电压型三相桥式整流电路如图2所示,其特点是采用高频PWM整流技术,器件处于高频开关状态,由于器件的开通和关断状态可以控制,所以整流器的电流波形是可控制的。这种电路的优点是可以得到与输入电压同相位的输入电流,也就是输入功率因数为1,输入电流的谐波含量可以接近为零;能量可以双向流动,正常时能量从交流侧向直流侧流动,直流输出电压高于给定值时,能量从直流侧向交流侧流动,具有较高的转换效率。缺点是属于Boost型整流电路,直流侧电压要求较高。这种电路也是研究的热点。
电压型三相桥式整流电路电压型三相桥式整流电路
1.2 蓄电池组和充放电电路
蓄电池组是UPS的储能单元,市电正常时它吸收来自市电的能量并以化学能的形式储存起来,一旦市电中断,它把储存的化学能转换为电能向逆变器供电,维持负载供电的连续性。在中小功率的UPS系统中,电池组的电压通常比较低,因此,通常使用能量能够双向流动的充放电电路[4]。大功率系统中为了提高效率,简化电路通常直接把电池组并接在直流母线上。
1.3 逆变电路
逆变器是UPS的核心,它把直流电能转换成用户所需的稳压稳频的交流电能。下面仍以三相逆变器为对象分析逆变器的研究热点。
1.3.1三相半桥式逆变电路
在三相逆变电路中以三相半桥桥式电路应用最为普遍,这种电路的特点是采用全控型器件组成逆变器,存在着功率密度高,性能好,小型轻量化等优点。这种电路便于使用新的控制策略以提高逆变器的质量。但是,要实现带100%的独立负载是比较困难的。
1.3.2H桥逆变器
对于超大容量的逆变器,由于功率等级的大幅度提高,对逆变器的结构提出了新的要求,H桥臂逆变器便是选择之一。这种逆变器输出变压器采用多绕组接法,输出变压器的原边采用3个独立的绕组,逆变器输出采用3个独立的H桥。这样控制方便,但是成本较高。
1.3.3三相四桥臂变换技术
由于三相电路中,三桥臂逆变器本身存在着固有的缺陷,人们开始寻求新的电路结构,于是出现了三相四桥臂逆变器,如图3所示。这种电路结构输出为三相四线制,三相电压可以独立控制,控制方法灵活,但是这种拓扑的算法比较复杂,PWM矢量在三维空间中旋转,必须采用数字控制方法才能实现空间PWM波形的生成,这种电路成为了研究的热点之一。
三相四桥臂变换技术三相四桥臂变换技术
1.4 三相UPS整机电路
1.4.1传统三相UPS电路结构
传统的三相UPS结构,输入采用晶闸管整流,输出采用逆变器,电池直接挂接于直流母线,整流器同时作为充电器。输出采用变压器隔离,可以实现输入输出完全隔离,确保电网的扰动不会对负载造成干扰。市电断电时,电池通过逆变器输出稳定的交流电;在逆变器出现故障时,通过旁路输出电压,保证了供电的可靠性。这种结构的主要缺点是体积和重量都比较大。
1.4.2高频链式三相UPS
为了降低成本,减小UPS的体积和重量,出现了高频链式三相UPS,如图4所示。这种电路省去了庞大的工频变压器,输入采用高频整流,可以获得较高的输入功率因数和较低的输入谐波电流。其缺点是输入输出没有变压器隔离,电网的扰动可能会给UPS的输出造成扰动;输出三相电压靠电池和电容中点形成中线,所以在控制中必须保持正负直流电压幅值的相等,否则输出中线会有较大的直流成分,对负载和负载中的变压器不利;输入采用三相四线制,中线有电流流过,可能会造成中线电位偏移,对负载造成干扰;输入输出不隔离,并联时的环流问题较难解决。
高频链式三相UPS高频链式三相UPS
1.4.3新的在线互动式UPS
由于以上两种UPS都要经过两次满功率变换,因此系统的效率较低,从提高系统效率的角度出发,出现了一种串并联补偿式的大容量结构,是一种新的在线互动式结构,如图5所示。这种拓扑输入输出同样没有变压器隔离,所以会有高频链式UPS的缺点。这种UPS的输出频率必须保持与电网一致,而且对电网的扰动的抑制能力不强,因而供电质量比传统的三相UPS差。它的特点是从输入到输出间的能量不是经过满功率的变换,同样是由两个高频变换器组成,但是变换器1最大只承受20%的功率,从成本上讲,这种结构的成本更低。在控制方法上,变换器1是一个电压补偿器,用于补偿电网电压的畸变;变换器2是一个电流补偿器,用于补偿负载的谐波电流,并且在市电断电时作为满功率电压型逆变器向负载供电。
新的在线互动式UPS新的在线互动式UPS
1.4.4输入输出隔离的高频链UPS
由于传统工频UPS的输入输出带有隔离变压器,输出有很好的隔离特性,高频链式的UPS有很好的输入特性,因此,出现了这种带有输入输出隔离的高频链式的UPS如图6所示。由于高频整流的缺点,在输入侧必须接一个自耦变压器降压,增加了整机的重量和成本;另外,由于输入采用了高频变换器,整机的效率比高频链式和传统式UPS的效率都低。但是,由于输入功率因数是1,没有谐波电流,所以所消耗的总电能低于传统三相UPS。
输入输出隔离的高频链UPS输入输出隔离的高频链UPS
1.4.5输入输出并联的UPS
这种电路中,输入端由多个整流器并联而成,给直流母线供电,同时直流母线给多个逆变器提供直流电压,多个逆变器的输出端直接连接同时给负载供电。这种方式可以增强UPS的容量,增加系统的可靠性,成本下降,可维护性增强,但是,并联模块越多,各模块间的均流问题越难解决。
不间断电源的控制技术
随着控制理论和功能丰富,性能优良的各种微控制器的迅猛发展,出现了多种离散化控制方法。从控制反馈回路的数目可分为单环、双环、多环控制。在硬件允许的条件下尽可能地提高反馈回路数目,可以提高控制效果。从控制原理上看包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网路控制、空间矢量控制等方法。
数字PID控制控制的适应性好,具有较强的鲁棒性;算法简单明了,便于用单片机或DSP实现。但是存在两方面的局限性:一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度;另一方面,采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统,造成PID控制器稳定域减少,增加了设计难度。
预测控制可以实现很小的输出电流畸变,抗噪音能力强,但是,这种算法要求知道精确的负载模型和电路参数,因此鲁棒性差,而且由于数值计算造成的延时在实际应用中也是一个问题。滞环控制具有快速的响应速度,较高的稳定性,但是滞环控制的开关频率不固定,使电路工作可靠性下降,输出电压的频谱变差,对系统性能不利。
无差拍控制的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度,因此,从理论上可以使输出电压在相位和幅值上都非常接近参考电压,由负载变化或非线性负载引起的输出电压误差可在一个开关周期内得到校正。但是,无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法,鲁棒性很差。
滑摸控制是一种非线性控制,这种控制的特点是控制的非连续性。这种控制既可以用于线性系统也可用于非线性系统。这种控制方法具有很强的鲁棒性。缺点是要得到一个令人满意的滑模面是很困难的。
重复控制是一种基于内模原理的控制方法。逆变器采用重复控制的目的是为了消除因整流桥负载引起的输出电压波形周期性的畸变。重复控制器可以消除周期性干扰产生的稳态误差,但是,由于重复控制延时一个工频周期的控制特点,使得单独使用重复控制的UPS逆变器动态特性极差。
模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型,因此具有很强的鲁棒性和自适应性。模糊控制类似于传统的PD控制,因而这种控制有很快的响应速度,但是其静态特性不令人满意。神经元网络控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式。神经网络具有非线性映射能力、并行计算能力和较强的鲁棒性等优点,已广泛地应用于控制领域,尤其是非线性系统领域。在神经网络结构的设计、学习算法等方面已取得了一定成果。但是,由于硬件系统的限制,神经网络控制还无法实现对逆变器输出电压波形进行在线控制,多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律,然后利用得到的规律实现在线控制。
谐波注入式PWM技术,直流母线电压的利用率基本上可以达到loo%。这种方法对于电压开环的控制系统非常有效,但在闭环控制系统中由于谐波注入的初始相位必须与基波保持一致,在电压瞬时值控制中电压基波的初始相位无法精确定位而难以应用。
空间矢量PWM具有电流畸变小、直流母线电压利用率高以及易于数字化实现等优点,因此得到了较多的应用。这种控制方式也需要电路的精确模型。
上述各种控制方案都有其优势,但是也有其不足。同时采用不同的控制方法形成复合控制的控制方案在实践中得到了广泛的应用,取得了较好的效果。
不间断电源设计和应用中存在的问题
美国UPS厂商APC公司,总结并归纳了UPS供电系统当前面临的、也是今后必须解决的5个方面的问题:
1)生命成本周期问题;
2)不间断电源系统的可适应性及可扩展性问题;
3)提高不间断电源的可用性问题;
4)不间断电源对供电系统的可管理性问题;
5)可服务性问题。
不间断电源的最新发展动向
不间断电源的发展动向是UPS的多机并联冗余化,采用冗余并机技术提高UPS的容量和可靠性;采用功能更丰富的硬件设备实现全数字控制,使各种先进的复杂控制算法得以运用而不断提高UPS的性能,即向数字化和高频化发展;UPS的进一步智能化和网络化,使计算机网络成为不间断网络。
4.1 UPS的多机并联技术实现冗余化
UPS的并联技术可以带来以下几个方面的好处:
1)可以灵活地扩大电源系统的容量;
2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性:
3)极高的系统可维修性,当单台电源出现故障时,可以很方便地通过热插拔的方式进行更换和维修。
采用并联技术可以形成具有容错功能的冗余式供电系统,从掌握的资料来看,主要有以下几种冗余配置方案:
1)集中式并联控制;
并联冗余UPS并联冗余UPS
2)主从式并联控制;
3)分散式并联控制;
4)环链式并联控制;
5)无线式并联控制。
这几种并联方式,从可靠性的角度看,集中式最差,无线式控制最好,也成为研究热点。
4.2 UPS的数字化、高频化
最初的UPS采用模拟控制方法有很多局限性。随着数字处理器计算速度的不断提高,使得各种先进的数字控制方法得以实现,使UPS的设计具有很大的灵活性,设计周期缩短,性能大为提高。UPS高频化,有效地减小了装置的体积和重量,并可消除变压器和电感的音频噪音,同时改善了输出电压的动态响应能力。数字化控制方法成了当今交流电源领域的一个研究热点,一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透,互相结合形成复合控制方案。数字化复合控制是UPS控制的一个发展方向。
4.3 UPS的智能化、网络化
为了适应计算机网络的发展,UPS中已经开始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM结合,成为计算机网络的一部分,具有以下优异的智能化、网络化特性。
UPS电源SNMP网络卡UPS电源SNMP网络卡
1)实时监控功能它对UPS各模拟参量和表示工作状态的开关量进行实时高速采样,实现数字式监控。
2)自诊断、自保护功能 UPS将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较,以判断UPS是否有故障隐患存在。如果有故障,根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、文字提示方式报警,或者在现场和控制室以指示灯灯光、报警器呜叫方式报警、也可以用自动拨通电话等方式报警,并做出相应的保护动作。
3)人机对话的控制方式大型UPS可向用户提供监控器液晶显示屏,以图形和文字方式显示工作流程和参数信息。可以提供让用户操作的可视化菜单。并以帮助和不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障,有效防止误操作。
4)远程控制功能在网络化时代,UPS不仅应能向由它直接供电的硬件设备提供保护,还应该对整个网络中的
UPS远程监控拓扑图UPS远程监控拓扑图
运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面地保护,使之成为不间断网络。这就意味着UPS应配置相应的电源监控软件、SNMP(简单网络管理协议)管理器,使其具有远程管理能力,用户可执行UPS与网络平台之间的远程监控和数据的网络通信操作,使UPS成为网络系统中的重要组成部分。这样,由网管员通过网管软件监控多台UPS,而且被管理的UPS可以在同一个LAN也可以在不同的LAN,甚至可以通过互联网,纳入网络管理系统来管理UPS。
由于未来网络的广泛化和全球化,必然带来网络的复杂化,多种形式的网络系统连接在一起。作为网络系统的一部分,要求UPS能够实现在各种网络平台上的监控,而且随着Internet、Intranet和电子商务的超高速发展,用户对网络的可用性要求会越来越高,使UPS从对网络关键设备的保护延伸至对整个网络路径的保护。
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