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UPS技术综述

2012-05-24 15:24 作者: 来源: 本站 浏览: 580 次 我要评论 字号:

摘要: 随着信息时代的发展,UPS技术也日趋成熟.UPS按工作方式分类, 主要分为: 后备式、在线互动式、在线式等. 1. 后备UPS结构如下图所示.有市电时,市电给电池充电,负载由市电供电;掉电后,电池储存的能量通过逆变器给负载供电. 从结构图可知,当市电输入正常时...

随着信息时代的发展,UPS技术也日趋成熟.UPS按工作方式分类, 主要分为: 后备式、在线互动式、在线式等.
1. 后备UPS结构如下图所示.有市电时,市电给电池充电,负载由市电供电;掉电后,电池储存的能量通过逆变器给负载供电.
从结构图可知,当市电输入正常时,UPS不做任何处理而直接将市电交给用户的设备使用,延时继电器,同时充电器(充电电路)给蓄电池充电.当市电断电后,后备式UPS会切换到电池逆变状态,由蓄电池提供后备能源对负载继续供电.由于逆变器为后备工作方式,后备式 UPS 对市电没有净化功能,且输出电压稳压特性差,多为准方波输出.而且后备式UPS在由市电转为电池逆变工作时会有一段转换时间,一般约为几毫秒,对一些不允许有切换时间的场合不能适用.优点是价格便宜、 结构简单.其容量范围一般为小容量, 多为1kVA以下.由于只能处理断电问题,台式万用表,仅适合比较简单、不很重要的环境使用, 如办公或家用PC、不重要的网上终端等.
2. 在线互动式:在线互动式UPS,一般在交流通路中配置了采用变压器抽头调压的交流稳压调节电路.充电器与逆变器合为一体, 没有整流环节, 输出电压分段调整, 工作在后备方式. 当输入变压器抽头跳变时, 功率单元作为逆变器工作一段时间, 弥补继电器跳变过程中的输出供电的间断.结构如下图:
从结构图可知,在输入市电正常时,由抽头调压的交流稳压调节电路提供输出电压.
UPS的逆变器处于反向工作状态给电池组充电,在市电异常时逆变器投入逆变工作,将电池组电压转换为交流电输出,因此在线互动式UPS对电网的净化能力差, 掉电转切电池有间断时间.当前的在线互动式产品在输入端会接简单的EMI滤波器,对电磁干扰有一定的抑制作用.因带有输出稳压装置,可以解决市电浪涌、电压波动等问题,对市电电网出现的频率不稳、波形畸变和高压尖峰等问题无能为力.优点是运行效率较高、结构紧凑、成本较低,能够适应大多数对断电要求不是很严格的场合,但不适合大型数据网络中心和其他关键用电领域.目前市场产品多在5kVA以下.
现在市场上还有一种三端口UPS技术,基本结构与在线互动式相似,逆变器承担输出稳压、充电、逆变的功能,如下图:
三端口技术的缺点和在线互动式相似,如净化市电能力差、存在切换时间、不能彻底解决电源质量问题、带柴油机工作稳定性较差、市电输入范围较窄等.优点是结构紧凑、抗冲击浪涌能力强、额定电压时效率较高、价格相对低廉.
3. 在线式UPS:在线式UPS的结构与后备式UPS有较大的差异,将后备式UPS的断电切换改为持续供电,结构如下图所示.对于在线式UPS来说,当市电供电正常时,它首先将市电交流电源变成直流电源,然后逆变器将直流电源进行斩波,再经逆变器的输出滤波器重新变成我们所需要的交流电来向负载供电.原存于市电电网上电压幅度不稳、频率漂移、波形畸变及噪音干扰等电源问题都得到了解决.当市电中断时,蓄电池提供后备能源继续供电.由于在线式技术不存在市电供电到逆变器供电的转换操作,所以它的转换时间为零.因此,只要不发生UPS因蓄电池被长时间放电而出现电池电压过低自动关机的状况,UPS电源就可以一直向负载提供高质量的无任何时间中断的电源,它和市电是否中断毫无关系.显然,这种高质量的交流电源是十分有利于维持用户设备的正常工作.
由于在线式UPS对市电有很好的净化作用,可以向用户提供稳压精度高、频率稳定、波形失真度小和无干扰的瞬态响应特性好的高质量交流电,所以它能对用户的设备提供全面而彻底的保护,适合于大型数据网络中心和其他关键用电领域,如服务器、重要的仪器设备、控制系统等.缺点是价格比较贵、效率相对较低.对于中小型在线式UPS来说,它有标机和延长机之分,标机是指UPS机身里装有电池,在负载满载时能延长大约7~10分钟,而延长机是指电池跟主机分离,根据用户要求延长时间的长短来配备电池的机型.大型机有三相输入单相输出、三相输入三相输出之分,市场上容量一般从10kVA~800kVA,各厂商生产的机型和容量都有自己特点和优势.电池在在线式UPS中占有很重要的地位,无论是什么样类型的UPS都离不开电池.用户在选择标准机时一定要确定其UPS中的电池是否quot;原装quot;,因为有些UPS经销商为了竞争而降低UPS的价格,当然眼睛会盯着UPS中的电池.对于大中型UPS来说,电池在UPS的售价中占相当份额,直流电源变换器,有些可能会超过UPS本身价格,这时用户一定要注意电池的充放电特性和使用寿命等指标.
4. 新的电路结构: UPS技术以日新月异的速度发展着,新的电路结构往往会带来意想不到的效果,美国APC Silcon UPS把电压补偿技术成功地用到了双变换在线式UPS中.他们用两个高频双向变换器以串并联补偿的方式对传统双变换在线式UPS进行改造,既保留了其全部在线功能和输出电压高质量,又使得它的很多关键性能指标得到改善.它不仅消除了对电网的污染,更重要的是它的输出能力高、可靠性强,是一个极有开发前景的技术方案.
5. 多机并联冗余技术: 现在随着网络技术的广泛应用,网络设备对电网的要求越来越高,UPS不仅仅充当一个简单的电源的角色,而是整个系统不可缺少的一部分,下图为一系统的示意图:
从结构图可以看出,超声波传感器,UPS必须具备智能化特点,是一个以UPS为中心,市电、备用电源、用户设备及网络系统共同构造的系统.通常对 UPS 有以下的几点考虑:
1 )市电掉电后,启动备用电源(如柴油机)供电.由于柴油机启动或市电切换到备用市电供电都需一定的时间,需UPS来补充这段时间的供电.
2)出于网络设备数据安全性的考虑,希望UPS的电源能够在关机前或电池快用完之前,通知网上的设备安全关机.
3)出于对UPS状况监控的要求,希望能在后台或远程监控UPS的状况.当UPS故障时,及时通知有关人员,及时维护UPS,保证供电的不中断.
多机并联冗余技术大大提高了UPS系统的容量和可靠性.采用并联技术,使多机并联的总容量大于负载容量,使得当一台或几台UPS发生故障时,其余UPS可继续向负载供电,这是一种提高系统可用性的绝对有效的措施.
现以两台冗余并机为例.如果每台UPS在一年中的可靠度为P1,假定MTBF=20万小时,则在冗余情况下,实际负载小于一台UPS的容量系统可靠度与单机相比,其不可靠度由0.043降到0.002.UPS的并联运行是一项难度较大的技术,可编程控制器,它要求各台的输出电压同频、同相、均流、同幅值.当前很多品牌的UPS在这方面都达到了较高的水平,只用一块并机板就可以把多台UPS简单地并联起来.
各种结构形式UPS产品的区别
后备式 在线互动式 三端口式 传统双变换式 电压补偿在线式
逆变器个数 1 1 1 2 2
逆变器工作状态 冷备用 热备用 在线 在线 在线
调压方式 智能线性调压 智能线性调压 输入输出相移调压 逆变调压 逆变调压
输入功率因数 不附加失真 不附加失真 较低(与负载无关) 一般(与负载无关) 最高0.99(与负载无关)
输出性能指标 一般 一般 高高高市电故障转换时间 4ms lt;4ms 0 0 0
逆变器可靠性 高高低低较高
输出能力 强强强一般 强
效率 高高高一般 高

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