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UPS电源及其新技术

——2015.03.09


  电源是以电力电子学为核心技术的产品,电源是在电力电子应用技术上发展而来,具体的说电源产品是电力电子应用技术的具体产品体现。UPS(Uninterruptible Power System),即不间断电源,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,是电力电子设备中重要组成成员。主要用于单台计算机、计算机网络系统或其他电力电子设备提供不间断的电力供应。


  UPS电源系统设备技术是指依托先进功率转换技术、数字控制技术、高频开关变换技术、脉宽调制技术、电磁兼容技术、冗余并机技术、智能充放电技术、网络技术、驱动技术和新工艺技术等的一门综合技术。


  一、UPS的工作原理和操作方式

  1、系统结构

  它的基本结构是一套将交流市电变为直流电的整流器和充电器,以及把直流电再变为交流电的逆变器,蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持在一个正常的充电电压上,一旦市电供电中断时,蓄电池立即对逆变器供电以保证UPS电源交流输出电压。


  2、UPS的三种操作方式

  (1)后备式

  当UPS电源处于市电正常供电时,由市电直接向计算机系统提供电源,当市电供电中断时,电池才对逆变器供电,并由UPS电源的逆变器对计算机系统提供交流电源。也就是说,UPS电源的逆变器总是处于对计算机系统提供后备供电的状态。


  (2)在线式

  它平时是由市电经由整流器、逆变器对计算机系统提供电源。只有当蓄电池放电完毕时,才由内部控制线路发出信号控制自动切换环关,转换成市电供电。因此,对在线式UPS电源而言,在正常情况下,它总是由UPS电源的逆变器对计算机系统供电。这种方式的特点是:消除了来自市电电网的任何电压波动等干扰对负载的影响,真正实现了对负载的无干扰稳压供电。


  (3)在线互动式

  当UPS工作正常时,继电器的控制绕组被激励,触点打到电压调整那一端,输出电压;当出现输出过载、短路或者UPS本身故障的时候,触点打到旁路,直接与市电接通。逆变器始终处于工作状态,与后备式UPS相比来说,转换时间非常短,其交流输出电压稳定性好,充电器由双向变换器组成,充电效果让人不十分满意,不宜作长延时的。市电供电时,后备式和在线互动式只有一个变换器在工作;在线式有两个变换器同时工作。另外,后备式和在线互动式在调压环节和电池工作模式时的输出波形不同,前者是准方波,后者输出则为正弦波。


  二、UPS电源的分类

  1、按照UPS功率大小分类

  UPS电源系统按其应用的功率可分为:大、中、小三个分区类别。


  小功率UPS电源系统定义为:功率小于3kVA的UPS电源产品;中等功率UPS电源系统定义为:大于等于3kVA同时小于10kVA的UPS电源产品;大功率UPS电源系统定义为:大于或等于10kVA的UPS电源产品。


  从不同的功率段划分UPS产品与技术情况都有:

  功率(P)<3KVA产品:小于3KVA的产品主要包括500VA-2KVA的后备式、互动式UPS,以及1-2KVA的在线式UPS。这一功率段的UPS由于技术门槛比较低,市场竞争激烈,从国内和国际市场的数据看,这部分产品的市场销售额比例一直存在小幅下降的趋势。


  3KVA≤功率(P)<10KVA产品:这一功率段的UPS主要是在线式产品,以及少量的3KVA后备式、互动式产品,涉及的技术相对复杂些,产品的质量控制有一定的难度,除了国外品牌产品外,国内的中大规模的UPS厂家有这一功率段的产品。从国内和国际市场的数据看,这部分产品的市场销售额比例相对稳定。


  10KVA≤功率(P)<50KVA产品:这一功率段的UPS是在线式产品,涉及的技术比较复杂,产品的质量控制有相当的难度,除了国外品牌产品外,国内中等以上规模的UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的数据看,这部分产品的市场销售额比例相对稳定,略有上升。


  功率(P)P≥50KVA产品:这一功率段的UPS是在线式产品,涉及的技术相当复杂,产品的质量控制需要较高的水平和综合实力,除了国外品牌产品外,国内只有极个别的上规模UPS厂家才有这一功率段的产品。从国内和国际市场的数据看,这部分产品的市场销售额比例稳步上升。


  2、按照UPS应用领域分类:

  UPS电源系统按其应用领域可分为:信息设备用UPS电源系统设备和工业动力用UPS电源系统设备二个大类别。


  第一类信息设备用UPS电源系统设备。近几年来UPS电源系统在IT行业发挥着越来越重要的作用,被人们誉为计算机信息的保护神。在世界迈进信息时代之后,信息的安全问题已经被人们广泛关注,因此,在这种时代背景中,UPS的发展趋势引起业界的高度重视是顺理成章的。信息化通信UPS电源系统主要应用于:信息产业、IT行业、交通、金融行业、航空航天工业等计算机信息系统、通信系统、数据网络中心等的安全保护问题。UPS电源作为计算机信息系统、通信系统、数据网络中心等的重要外设,在保护计算机数据、保证电网电压和频率的稳定、改进电网质量、防止瞬时停电和事故停电对用户造成的危害等方面是非常重要的。


  第二类工业动力用UPS电源系统设备。工业动力UPS电源系统设备主要应用于:工业动力设备行业电力、钢铁、有色金属、煤炭、石油化工、建筑、医药、汽车、食品、军事等领域,作为所有电力自动化工业系统设备、远方执行系统设备、高压断路器的分合闸、继电保护、自动装置、信号装置等的交、直流不间断电源设备,保证工业自动化动力供给的可靠性。工业动力用不间断电源是不间断电源产品中的高端产品,涉及大功率(可能达到兆瓦级)能量变换的电力电子技术、数字化控制技术、交流电源并联冗余技术、有源谐波抑制技术、大功率产品制造技术等。显然,一般的电源企业无法进入该领域,只有已经拥有大功率电力电子技术和系列产品开发、生产、服务能力,并积累相应工业应用经验的企业,才能做好工业动力不间断电源系统的设计、生产、市场服务。传统UPS厂家在这些地方采用的UPS电源往往是具备适应工业自然环境的UPS电源产品,而不是适应工业电气环境、感性动力负载特性的真正工业动力设备用不间断电源。


  三、UPS电源中的新技术

  近年来,随着IT产业的复兴、通讯产业的持续发展,以及各行各业对于大容量数据机房的巨大需求,UPS的使用量越来越大,对于UPS的技术要求也越来越高。同时,配套产业以及器件的发展给UPS的技术发展带来了机遇。新型磁性元器件、新型半导体功率器件、新一代数字信号处理器等层出不穷,这些都让UPS的技术水平达到了前所未有的高度。


  1、新器件的应用

  近年来随着铁磁技术的飞速发展,工程师在设计优化时的材料可选择性大大提高。在开关电源、电感、扼流圈以及滤波器的设计方面,最常用的材料包括MPP(钼坡莫合金)、High Flux(高磁通磁芯)、Sendust(铁硅铝)以及铁粉芯磁芯,针对不同的应用场合,每种材料都有各自的特点。


  粉芯材料磁芯是由高磁导率材料经过研磨或者喷雾造粒形成粉末,磁芯的磁导率取决于高磁导率材料微粒的尺寸和密度大小,调整微粒的尺寸和密度可以得到不同磁导率的磁芯。微粒尺寸越小,直流偏置特性越好,但是成本越高。粉末微粒之间彼此绝缘,因此磁芯固有的分布气隙具有更好的储能能力,特别适合在储能电感中应用。


  粉芯的分布式气隙特性确保能量储存在整个磁芯体中,这就使得磁芯的温度稳定性较高。而传统开气隙的铁氧体磁芯由于能量储存在气隙附近,漏感较大,使得气隙损耗和电磁干扰都明显增加,有时局部气隙损耗甚至比磁芯本身的损耗还大,因此磁芯的温度稳定性不太稳定。优化磁芯的原则是选择能够满足所有的设计目标需求的同时,具有最小折衷的材料。如果成本是首要考虑因素,铁粉芯是最佳选择。如果温度稳定性是优先考虑因素,那么应首选MPP磁芯。


  伴随着上述新材料的应用,UPS中以往广泛使用的硅钢类电感、变压器将有机会得到替换。从而可以大大提高磁性元器件的功率密度以及性能水平,UPS系统的功率密度以及性能也将由此而得到提高。


  作为UPS中的重要功率器件,IGBT以及SCR器件近年来也得到了极大的发展,各大厂商针对UPS的发展需要提出了大量的解决方案。


  三电平IGBT模块给UPS的高频整流器、逆变器带来了前所未有的机遇,从而为三电平技术的应用打下了坚实的基础,如图2所示。以往构建三电平系统,设计者需要使用分立的器件来搭建,性价比和系统稳定性都得不到保障,因此三电平技术一直未得到大规模的应用。这种IGBT模块将所有的器件集成在一起,简化了系统设计,提高了可靠性,给这种技术在UPS中的应用带来了机会。三电平技术的应用可以大大降低磁性元器件的使用量,提高系统的静态与动态性能指标,提高系统的功率密度,降低成本。


  一些器件厂家针对电力电子系统的散热需求,给出了一些很好的解决方案。图3为新一代的大功率水冷IGBT模块,可以看出其散热器的用量明显降低。并且,通过水冷技术的使用,系统的功率密度明显提高,噪声大大降低,热性能得到提高,可靠性较以往的风冷技术也得到了较大的提升。


  另外,一些半导体工业的最新器件,例如SiC、ESBT、JFET等,也将逐渐地在UPS产品中得到应用,在提升各个子系统性能的同时,提升UPS系统的各项指标。


  在UPS控制部分,随着DSP、FPGA等数字化芯片的应用,以往大量使用的分立元器件将大大减少,从而简化了电路板,提高了可靠性、可生产性、可维护性,并且降低系统成本,提高系统的性能。


  2、新电路拓扑的应用

  近年来,世界各国电力电子机构都不断地推出新的UPS拓扑技术。很多拓扑技术都得到了应用,从根本上给UPS系统的设计带来了革命。上述的三电平结构就是其中之一。


  利用Z型无源网络实现电源和负载的耦合,可灵活地获得升/降直流电压。与传统的实现降压级联电路相比较,阻抗源整流器不需在上下桥臂的驱动脉冲中加死区,减少了输入电流波形的畸变,而且具有效率高、电路体积小等优点。其灵活的升降压特点,为燃料电池等新能源在UPS中的应用提供了契机。


  九开关变换器较以往的三相四线PFC整流器和三相四线逆变器相比,使用的开关管数量减小了,从而降低了系统的造价,如图5所示。另外,通过现代控制技术的应用,其性能有望能达到现有PFC整流器和逆变器的水平。


  新型开关单元变换器具有提高输入输出等效开关频率,降低电感量需求,提高并联均流效果等优势,也将给UPS的整流器和逆变器拓扑带来机会,如图6所示。


  在通讯电源、DC/DC变换器等领域,软开关技术已经得到了广泛的应用。在UPS上这一技术的应用可以降低功率器件的损耗,提高可靠性,提高系统效率,提高EMC/EMI性能。图7给出了一种可以应用在中大功率UPS中的软开关拓扑,ARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole)结构。


  3、新系统解决方案的应用

  随着水冷、液冷等技术在其他电力电子产品中的应用普及,UPS也即将进入此项技术的应用领域。


  传统风冷功率模块占地面积大、体积大、金属用量多、功率密度低,而液冷模块就可以解决上述这些缺点。在当今的高端机房中,功率密度的要求已经越来越高,对于单机的容量需求越来越大,给UPS提供的安装空间却越来越小。因此,研制出体积小、单机容量大的产品势在必行。


  PFC整流器技术在中大功率UPS中也得到了广泛的应用,200kVA以下的UPS很多厂商都已经推出了PFC整流的产品。相对应于传统的6脉冲或者12脉冲整流器,PFC整流带来的技术优势是显而易见的,提高了输入功率因数,降低了UPS输入侧的电流谐波,使UPS实现了绿色化的理念。在不久的将来,PFC整流将有机会往更大功率等级上发展。


  大功率PFC整流器结构,一些国外厂家已经开始尝试将其功率做到600kVA以上。大功率PFC整流对于提高大型UPS系统性能、降低造价、提高可靠性等方面都具有非常大的积极意义。


  4、其他行业技术的嵌入应用

  现代的UPS供电系统已经融合应用了其他行业的大量技术。移动通信以及互联网技术的嵌入式应用,使得用户可以实时地对分布于全球的UPS系统进行监控。先进的电池检测技术可以检测到每块电池的健康状况并给出预测报警。先进的故障检测与预警系统可以预测出UPS中各子系统的运行状况,给出分析报告,防患于未然,提高系统可靠性和可用性。


  作为信息设备的守护神,UPS系统承载着巨大的责任。大量的应用需求驱动着其技术不断革新换代。可以预见,随着金融、通讯、IT等高端市场需求的不断增长,更多、更广泛的新技术将应用到UPS系统中去,UPS系统将朝着智能化、大型化、绿色化、节能化等方向不断发展。


(资料转载自其它网络)


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