UPS不间断电源技术回顾与展望

作者:柏克电源网 来源:柏克电源广东办事处 发布时间:2012-12-12 11:39:54

    摘要:伴随着信息时代的到来及各种信息系统在各个领域的广泛应用,计算机数据信息的安全稳定显得越发重要。UPS作为直接影响计算机软件是否安全运行的一个重要因素,电源质量的稳定性成为工业,学校金融业首要考虑的问题。随着时代的不同,不同年代的需要对UPS不同分类及发展,是当今信息社会调整发展的需求。当今,UPS以确保系统具有“高稳定性”以及“高可用性”作为其保护重点。

    1.引言

    历史上的不间断电源,是伴随着计算机的出现而诞生的,由于当时,数据的输入非常复杂:首先将数据在纸带上穿孔,再将已穿孔的纸带通过光电机输入到计算机。万一在计算机工作中断电,整个数据就会完全丢失,供电恢复后又必须重新将穿孔带通过光电机把数据输入到计算机。当时提出的要求就是,希望电源在市电断电后能继续维持供电5秒,将现场的运算结果保存到磁心存储器中,待市电恢复后,能接着原来的计算结果保存到磁心存储器中,待市电恢复后,能接着原来的计算结果继续运行下去。早期的UPS于上世纪90年代开始成规模,主要用于给服务器、计算机系统或其他电力电子提供不间断的电力供应。随着互联网的迅速发展以及国际互联网的到来,UPS从计算机外围设备,一个不受重视的角色迅速发展为互联网的关键设备及电子商务的保卫者。UPS作为信息时代的基石,开始了她新的历史使命。

    2.UPS的发展历程

    自上世纪60年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来,不间断电源一直在被改进,但其基本原理没重大变化。

    一、飞轮式的不间断电源

    飞轮式的不间断电源可以说是UPS的鼻祖,在使用电池的时代之前,不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应,这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机(或汽油机)及发电机等组成。在电网供电的情况下,由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转,并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用,发电机转速可以保持均衡,此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后,飞轮继续带动发电机的转子旋转,同时启动柴油机带动发电机发电,替代原有电网为负载供电。

    二、蓄电池式不间断电源

    随着20世纪初期,半导体器件的迅猛发展以及在各领域广泛的应用,UPS引入了逆变电路,同时也引入了蓄电池组,去掉了直流发电机和大飞轮。数十年来,UPS的这种电路拓扑,一直沿袭至今。

   3. UPS组成部分

   3.1UPS关键电路

    UPS是一种储能装置,主要是由蓄电池、逆变器为组件,稳压、稳频输出的电源保护设备。当市电正常时,UPS将市电稳压负载提供稳定的电源,同时,给蓄电池充电把能量储存在电池内。当市电由于其他原因中断(或能满足用户规定要求)。UPS通过“逆变器”把存储在蓄电池的能量转换成交流电给负载使用,使负载保持正常的工作状态保护负载的软、硬件不受损坏。

    3.1.1整流电路

    整流电路作为UPS的主要组成部分,随着电力电子技术的迅速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、信息、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛。电力电子装置的非线性,引起网侧电流、电压波形的严重畸变,卖到了日趋严重的谐波污染。相关资料表明电力电子装置生产装置生产量在未来十年将以每年不低于10%的速度递增,由这类装置所产生的高次谐波约占谐波源的70%以上。因此,谐波治理势在必行。

     3.1.1.1 UPS产生谐波的特点

     现时,以可控硅为主要器件的整流电路来说,其谐波分布有以下特点:

    (1)对于理想的P脉冲整流器,在交流测只有下列次数的谐波电流:n=pm±1次,式中m=1,2,3,…。各个谐波电流分量的幅值为基波电流的1/n。例如,对于6脉冲整流装置,线电流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次谐波,其中5、7次谐波幅值分别为基波电流的1/5和1/7;对于12脉冲装置,线电流中只有11、13、23、25…等奇次谐波,其幅值也显著减少。

    (2)增加整注器的脉冲数年P,对减少输入谐波分量有决定性影响。所以,减少谐波最理想的方法就是尽量增加整流脉冲数。

    3.1.1.2 6脉冲无输入滤波整流器的谐波分析

    以6脉冲整流UPS为例,通过电力分析仪得到该UPS的谐波频谱分析图及电流波形发现:输入电流波形严重畸变,A相输入电流总谐波畸变达到45.3%,其中5次谐波占很大成分,A相约为13.9%,与前所述的P脉冲整流产生谐波的特点相符,输入功率因数PF(0.79)与基波功率(位移)功率因数0.86的比值较大,即电流畸变因数0.92偏离1较大,说明输入电流的畸变较严重。另外 ,在电流呈现非正弦的情况下,畸变功率 D即因谐波电流产生的无功功率也是不容忽视的。

    谐波电流通过线路阻抗电压叠加到电网中去,造成“二次电压”,这种由谐波电流引起的电压可造成并联在电网上的其他设备不能正常工作甚至损坏设备。由此,国家相关职能部门对UPS的输入谐波和输入功率因数做了专门的规定,比如:YK/D1095-2008(通信用不间断电源)4.3.1.2 1类标准规定FP≧0.95.2类标准FP≧0.9。

     3.1.1.3 12脉冲整流器的谐波分析

    当然,我们前面提到,增加脉冲数可能提高PF,如果使用12脉冲整流设计,那么,通过输入端增加一个原边为三角形连接、副边1用三角形连接,副边2用星型连接的隔离变压器来实现12脉冲整流,通过电力分析仪,我们可以看出输入电流的谐波主要以11次、13次为主,如果再增加一个针对11次、13次的滤波电路,那么其总输入电流谐波含量为5.2%,输入功率因数=0.94。

    3.1.1.4 高频整流技术

    虽然,12脉冲对谐波的抑制效果及功率因数的有很明显的提高,但是,我们从其设计来看,相对6脉冲整流来说其制造成本将近高出1倍。在此背景下,高频PWM整流器的基础是电力电子器件,其与变通整流器和相控整流器的不同之处是采用了全控型器件。

    三相PWM整流桥主电路,由全控开关器件(IGBT)和续流二极管组成的三相半桥电路,通过理论分析以及系统实验,PWM整流技术,可能有效地掏输入电流谐波有提高输入功率因数。

    有资料表明,某品牌UPS,采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS,从电能质量分析可能得出:在负载率为62.2%的情况下,其输入电流总谐波畸变在10%以内,以5次谐波和7次谐波为主,电流波形较接近正弦波,功率因数很高(0.94)。

    随着DSP技术的发展,PMW整流技术的控制电路变得起来越简洁,由于DSP得强大的技术支持,PWM通过软件完成,简化了外围电路,提高了系统的可靠性,舍不得高频整流技术更加完美。

    3.1.2 逆变技术

    习惯上,人们将逆变器中完成直流变交流的电能前向主通道啊逆变电路 ,它主要由功率开关器件,变压器及电解电容等构成,通过控制功率开关元件有规律的通断,使电流按预期的途径流通而实现直流到交流的变换。控制逆变主电路的工作方式有很多种,但是,随着功率开关元件的不断提升特别是全控型器件的出现(譬如:IGBT),因此控制方式也基本采用脉冲宽度调制(PWM)方法。

    3.1.2.1 SPWM技术

    所谓PWM法,就是在周期不变的条件下通过改变脉冲的宽度来抑制谐波和调节逆变输出的电压大小。而SPWM法就是在PWM基础上,使输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能量等效于正弦波所包含的能力,换而言之,就是规定脉冲的峰值不变,不同宽度的脉冲所包含的面积与相同宽度正弦波所包含的面积。

    为了实现SPWM,假定电压脉冲幅值不变且不小于峰值的条件下,可将正弦波的一个周期平均分成2N等分,于是每一份的宽度为∏/N.通过工程函数的计算就可以得出电压的脉冲宽度,在通过模拟电路产生所需要的SPWM波。随着计算机技术和微处理器的发展和应用,通过软件设计可以直接由微处理器输出SPWM,这样可以简化电路便利UPS的性能更加卓越。

    4.UPS发展趋势

    一、UPS的智能化与网络化

    1.UPS的智能化

    UPS的智能化包括系统运行状态的自动识别和控制、系统故障的自我诊断、蓄电池自动监测与管理、智能化内部检测与显示等。UPS的异地远程监控将UPS系统作为网络的一个节点,通过专用远程控制盘和RS-232/458通信接口与监控PC之间实现交互控制。

    2.UPS的网络化

    UPS的网络化有两方面的含义。一是UPS及监控系统与所保护的负载—计算机或局域网的交互作用。当电源出现故障时,UPS内部的控制器会及时把异常信息发送给它所保护的计算机或局域网,并由监控软件在相应计算机发出警告信息,提醒操作人员或局域网管理员及时处理,在UPS供电结束前,自动中止计算机或局域网的远行,并将现场信息自动存盘,通过MODEM向相关人员发出E-MAIL等。

    二、UPS的高频化

    第一代UPS 的功率开关为可控硅,第二代为功率晶体管,第三代为场控制型器件,(MOSFET和IGBT),功率晶体管开关速度比可控硅高出一个数量级,场效应管MOSFET比功率晶体管又高出一个数量级,而IGBT功率器件比MOSFET低,但也可以使功率变换电路的载波频率高达50KHZ,变换频率的提高,舍不得由于滤波的电感、电容大大减少,UPS效率、噪声、体积、动态响应特性和精度大大提高。

    三、UPS绿色化

    随着电力电子技术的迅速发展,各种电力电子装置在电力他经纬度、工业、信息、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛。电力电子装置的非线性,引起网侧电流、电压波形的严重畸变,导致了日趋严重的谐波污染。相关资料表明,电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增,由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上,随着各种政策法规的出台,对无污染的绿色装置的呼声越来越高。UPS除加装高效输入滤波器外,还应用了PWM高频整流技术,这样既可消除本身由于整流滤波器电路产生的谐波电池,又可补偿功率因数,使UPS的输入功率因数达0.98 以上。

    四、  大容量单机冗余化

    由于网络对UPS可靠性的要求越来越高,而解决可靠性的途径除要求无器件本身高可靠性外,就是用冗余的方法。小容量UPS的单机冗余已出现。而大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现。但这样做又会使用户投资太大。但毫无疑问,使用Internet技术监控的UPS系统将成为UPS技术的主流之一。

    五、  UPS控制系统数字化

    伴随着数字革命试卷全球的背景下,且电源系统被越来越广泛的使用,对其性能指标的要求也越来越高。除了主功率拓扑外,UPS的控制部分对其整体性能的影响也是至关重要的,数字化控制技术是当前UPS研究领域的一个热点。由于DSP其强大的运算功能,使得UPS的控制电路愈来愈简化,且各大院样纷纷加大了对其研究力度,近年来,比较成熟的技术论文也相继出现。更值得一提的是,由于简化了外围电路,使得传统单片机技术的并机系统的技术瓶颈---负载环问题得以轻松解决。有相关报道,某国际著名UPS制造商,通过DSP技术已经开发出了无线并机系统。

    5.结束语

    本章只是对UPS的主要技术发展做了一个简单的结束,并没有对其技术做深入的工程推导。回顾UPS的发展历史,可以看出,每一次UPS的技术革新都是通过电子元件的更新换代而产生。
参考文献:
1.曹保国主编。UPS应用技术。北京:化学工业出版社2006
2.许道飞主编 基于DSP的在线式UPS数字化控制技术 浙江:浙江大学 2003
3.李爱文主编 现代逆变技术及其应用 北京:科学出版社 2001
                                                                                 本文摘自《大格局》2010年3月刊