1.多种机型UPS的同时存在是当前过渡时期的状况
众所周知，前些年UPS中的整流器多采用晶闸管相位控制的工频工作方式，当前称此种类型为‘工频机型UPS’。近十年来，由于半导体器件IGBT技术的发展，为整流器采用高频工作方式提供了技术条件。因为UPS的逆变器在10年前已经是高频SPWM工作方式，近年将整流器也改进成高频工作方式，则称此种UPS为‘高频机型UPS’。两种机型的同时存在，各有市场份额，这要根据用户的需求来决定，笔者多次参加评标会，有的招标单位点名要工频机型UPS，这就是‘过渡期’的状态。”
同理，当前还有模块化UPS(多为高频机型)和直流输出UPS、飞轮动态型UPS和柴油机动态型UPS等种类，各有其用户群体。许多作者或专家在推荐某种机型UPS时，仅仅叙述其优点，不谈其缺点(存在问题)和适用场合，是不全面的。应当对UPS用户给予正确地引导。中国电源学会会刊《电源资讯》在今年第6期首篇文章《政策综述及产业动态》中叙及“UPS电源行业存在着一些错误的观念和误导”，指出了这一问题。本文拟比较客观地阐述各种机型的结构、特点、存在问题及适用场合，仅供用户参考。
2.交流输出型UPS
交流输出型UPS(简称AC-UPS)，在中大功率范围，多采用双变换型结构，包含工频机型和高频机型两类(高频机型还包括模块化UPS)。
2.1 工频机型UPS
(1)结构
众所周知，工频机型UPS是指采用晶闸管多相相位控制整流-IGBT高频逆变结构，晶闸管整流器多采用12脉波整流方式，必要时再加11次滤波器。而逆变器采用IGBT三相SPWM高频逆变电路形式，有输出变压器，以获取输出电压额定值(380V/220V)，常用电路如图1所示。
(2)特点
①由于这种机型的生产和应用时间最长，因而其技术成熟度很高，系统可靠性好；
②由于采用晶闸管作为整流器件，对市电电压波动的耐受力较强；
③输出侧配置隔离变压器，负载与市电电源的隔离功能较好，输出端零地电压接近零，可靠地保证负载正常运行；
④由于输出隔离变压器自身短路阻抗的作用，使其具有很好的抗负载冲击能力，降低在负载突变时对UPS的影响；
⑤即使在UPS故障时，也不存在向负载输出直流电压的风险，负载运行更加安全可靠。
(3)存在问题
①由于采用晶闸管工频整流，造成电气性能方面的落后，诸如输入功率因数较低、输入电流谐波成分较高等。
②由于采用相控整流工作方式及必须配置输出变压器等原因造成功率密度较小、体积重量指标较差、整机效率较低等问题。
(4)适用场合
工频机型UPS，前些年在通信、金融、石油、电力及交通等行业大量采用，近几年高频机型UPS的推广应用，使工频机型UPS的市场份额缩小。但对于某些用户，对技术成熟度、可靠性、市电和负载隔离效果等要求很高，而对于体积、重量及效率等指标要求较低时，还有许多单位选用工频机型UPS。在目前“过渡期”内还不能说工频机型UPS已被用户淘汰。
2.2 高频机型UPS
(1)结构
由于近10年来，随着功率半导体器件(尤其是IGBT)性能和电力电子技术的进步，为UPS的整流器采用IGBT高频工作方式并为去掉输出隔离变压器创造了物质条件，使其在高频化、小型化和节能化等方面，取得了长足的进展，这就是当前常说的高频机型UPS。
实际上，高频整流器有两种电路结构，其一是IGBT降压型高频SPWM整流电路，输出直流电压约为400V，逆变器的输出侧采用变压器升压，以便使UPS输出的交流电压达到额定值(380V/220V)。这种机型目前在国内外有少量生产，供给特殊用户选用。其二是IGBT升压型高频SPWM整流电路，输出直流电压约为800V(以电容分压获得±400V)，由于此整流电压较高，使UPS输出的交流电压可以达到额定值的要求，所以逆变器就不需要输出变压器了(但必须在输出侧有串联电感)。人们一般所称的高频机型UPS就是指这种高压整流-无输出变压器型式，其主电路如图2所示。
(2)特点
与工频机型UPS相比具有明显的优势：
①功率密度高、体积小、重量轻、节省占用的空间；
②输入功率因数较高(达到0.99)，输入电流失真度较低(小于5%)，为节能创造了技术条件；
③整机效率高。因为没有了输出变压器损耗，整流电压提高了，可以减少电路工作损耗，一般认为可以提高2.5%以上(应当指出:整流器的高频化，其开关损耗也增加了，所以其变换频率不宜太高，目前约15kHz，算是中频范围，从而限制了开关损耗)；
④成本低。因为没有了输出变压器、12脉波移相变压器，也不必采用11次滤波器等设备；
⑤改进了电性能指标。譬如输入电压范围宽了(可达±25%)，带负载能力强了(适应三相不平衡负载，动态性能较好)；
⑥易于实现模块化，更便于多机并联工作方式，有利于随时扩充。
(3)人们曾经担心的问题
由于高频机型UPS的发展时间比工频机型UPS短一些，电路结构的优化有个技术成熟过程，人们主要对高频机型UPS的工作可靠性存在一些顾虑，但是目前已经解决。
①技术已完全成熟
高频机型UPS的IGBT整流(含PFC)技术和半桥式逆变电路，这两个技术用于无变压器UPS中是近10年左右的事情，但这两项技术本身的产生由来已久，近几年在UPS中应用已非常广泛，其技术是成熟的。
②逆变功率管的耐压已达到技术要求
由于高频机型UPS的整流输出电压为800V，从而要求逆变电路中的功率管(IGBT)的耐压要大于800V(工频机型UPS逆变功率管一般为400V)。但是，目前IGBT生产厂家制作出耐压大于800V甚至1200V器件的技术已经成熟，完全达到高频机型UPS逆变器的要求。
③在UPS故障时向负载输出较高直流电压的问题已经解决
由于UPS线路故障时发生逆变功率管IGBT直通(或短路)时，直流母线电压会直接输出到负载端，当前在UPS中已配备了保护电路，在发生上述故障时，UPS会自动转换到旁路以确保安全。
④输出端的“零地电压”不会影响负载正常工作
由于高频机型UPS没有输出隔离变压器，其高次谐波电流会在UPS的输出端形成较高的“零地电压”，有时会达到几十伏。实践证明，在运行时，因为服务器中的开关电源有高频变压器可以起到隔离作用，零地电压不会窜到负载数字电路中，所以对服务器的正常工作不会产生影响。
(4)适用场合
可以说，凡是工频机型UPS能使用的场合都可以采用高频机型UPS，尤其是对于体积、重量、效率、输入功率因数、输入交流电压范围等指标要求较高的场合都是适用的。这些优势对于现代数据中心来说，高频机型UPS成为其优选机型。当前，用高频机型UPS构成的模块化UPS，便于冗余并联，显著提高其工作可靠性，现已有专门标准，更具有推广应用价值。
3.直流输出型UPS
直流输出型UPS(简称DC-UPS)，这一创意的提出是由电源技术发展而形成的，目前处于推广应用阶段。
(1)结构
AC-UPS的备用能源(蓄电池)配置在逆变器的输入端，当市电中断时，蓄电池所储备的能量要经过逆变后才能供给PC机和服务器(以下简称IT设备)，实际上IT设备直接需要的是直流电源(3V、5V等)，电源技术工作者早就想到:把AC-UPS中的第一次变换(即整流)的直流输出端挂上蓄电池，经过DC/DC变换直接送到IT设备上，从而减少了ACUPS的第二次变换(即逆变)，而且IT设备输入侧的开关电源(AC/DC)也可以不用了，实际上早期的48V通信电源就是这个方案，具体如图3所示，这样就变得很简单了。
(2)特点
上述变革：因为甩掉了逆变器，蓄电池可以直接挂在IT设备输入侧，从而获得一系列优点[4]:减少了逆变器——效率提高了；电路简化了——可靠性提高了，成本降低了；谐波减少了——性能提高了；市电中断时，由蓄电池直接向负载供电，能源利用率提高了；还可以列举出很多优点，怎么不马上实行呢?
(3)存在问题
计算机开始产业化至今有50年的历史，在它问世时采用的供电电源是380V/220V，50Hz的交流电源，这种电源存在电能质量不佳，又经常出现中断等问题。人们采用把它整流成直流再逆变的方式，从而提高供电质量，在逆变器前配置蓄电池解决电源中断问题，为了进一步提高可靠性又采取在输入/输出端加变压器、输出冗余并联、输入双总线等技术措施，而整流器由6脉波变成12脉波、24脉波等形式，越弄越复杂。
电源技术工作者也不断在改进，先把逆变器利用SPWM技术高频化了，由于半导体技术的发展，用IGBT取代了晶闸管，使整流部分也高频化了，输入/输出变压器也取消了，但是逆变器还在，为什么呢?就是计算机生产厂家制作的IT设备是按着输入交流电源来设计的，国际上的标准就是这样规定的。
若想让生产计算机的厂家修改设计、同时修改国际标准，这可不是一朝一夕的事情，现在采取两步走。
第一步：直接往IT设备的开关电源输入直流电源，因为其开关电源的输入侧多是单相桥式整流，如图4所示。
对于采用简单的桥式整流形式，见图4(a)，整流电压为300V左右；而采用PFC电路环节，见图4(b)，其整流电压为380V左右。
图4中的桥式整流按设计要求是输入交流电源，两对二极管轮流工作，现在输入直流电源了，只有一对二极管工作，另一对二极管不工作。为了安全起见，我国部分地区采用输入240V直流电源形式(即UPS的输出为直流240V，并挂上240V的蓄电池)，这样IT设备中的滤波电容等部件不用变动(现已形成部颁标准)。
第二步：选择DC-UPS输出电压为300～380V，国际上许多大型企业已开始这样做。把UPS输出直流化，对于电源技术来讲是很成熟的，不存在困难。关键是IT设备厂商能否接受这一变革，包括:
①IT设备开关电源的输入开关、保险丝、继电器等交流器件要改成相应的直流器件；
②去掉IT设备中的AC/DC变换环节，只保留DC/DC变换环节；
③验证这样变革的可行性、适应性、可靠性、经济性(成本能否降低)、使用寿命及其节能效果等；
④在此基础上得到普遍认可，制定出国际标准，使各国的产品具有通用性。
总之，UPS的输出直流化是数据中心供电系统的重大变革，需要改变观念、技术研发、方案论证、系统运行及编制标准等过程。从长远来看，这种机型是UPS技术的发展趋势，但愿这个变革早日实现。
(4)适用场合
当前，在相当多的通信系统中DC-UPS已经在运行，可靠性很好，逐步向数据中心推广应用。现在对直流电压值的等级(240V、300V、380V)还有不同意见，待逐渐改进并取得共识后，将会在各行业普遍采用。
4.动态型UPS
动态型UPS是指以机械旋转工作方式构成的不间断电源，一般有两种型式:飞轮式和柴油机式。
4.1 磁悬浮式飞轮储能UPS
(1)结构
主要由磁悬浮飞轮和备用柴油发电机组成，飞轮是其核心部件。由飞轮UPS组成的供电系统如图5所示，飞轮储能装置如图6所示。
图5中采用双路10kV/400V变压器供电，两台变压器互为备用，在双路电源都失效的情况下由后备柴油发电机在10s内自动起动并且达到稳定输出。在有市电时，驱动电动机带动飞轮高速旋转，把动能储存起来，在市电中断至发电机正常供电之间由飞轮的转动惯量提供动力，在励磁装置激励下发出电能，保持对负载不间断供电；待发电机起动并稳定运行后，转由发电机供电。
图6所示为磁悬浮飞轮结构，其稳态转速为7700转/min，采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高驱动效率。为了减小风阻损耗，将飞轮置于高真空环境中运行。飞轮与电动机/发电机同轴相连，通过电力电子转换装置实现储能部件与电网之间的能量交换。
(2)特点
①这种UPS的突出优点就是不用蓄电池做后备储能电源，从而获得环保等一系列优点，减少了维修工作量。
②由于不使用蓄电池，减少了体积和重量，而且整机效率也提高了。
③飞轮式UPS对环境的要求较低，在-20℃～40℃之间运行，不需要空调设备。
(3)存在问题
①人们担心的主要是后备时间问题。以容量为500kVA的飞轮式UPS为例，满载时的后备时间为15s(半载时为30s)，这就要求柴油发电机必须在10s左右起动并达到稳定电压及频率输出，需要优质发电机相配合。据调查资料得知，柴油发电机可以在10s达到正常运行，可见飞轮式UPS是可以满足要求的。
②飞轮式UPS对机械加工精度及材料的要求很高，其价格相对昂贵，但因其使用寿命可以达到20年以上，比蓄电池的寿命长了许多，所以整体成本还是比较低的。
(4)适用场合
首先是不宜使用蓄电池的单位，例如军用系统、半导体芯片制造厂、数据中心等，尤其是对于蓄电池很介意的场所。这种UPS目前主要用于150～1500kVA供电系统中。如果是对15s的后备时间特别在意的话，则应适当考虑。
4.2 柴油机式动态UPS
(1)结构
主要由同步交流发电机、感应耦合器、自由轮离合器及柴油机等部分组成，如图7所示。
同步交流发电机与市电一起向负载供电，并与电抗器(另接)组成有源滤波器滤除谐波。感应耦合器是储能装置，有外转子和内转子，外转子上有一个两极三相线圈，在有市电情况下，可以加速自由转动的内转子的转速。当市电中断时，取出在内转子上储存的动能，驱动发电机继续给负载供电，并及时起动柴油机使之达到稳定状态，向负载提供电能。自由轮离合器在感应耦合器/发电机与柴油机之间起机械通断作用。在市电正常时，柴油机处于停止状态，离合器断开，发电机旋转；市电中断时，柴油机起动，当达到额定转速时，离合器自动接合，由发电机向负载供电。整个转换时间约为5～10s。当市电恢复时，这种动态UPS会与市电同步，转由市电向负载供电，离合器断开，柴油机与感应耦合器不再有机械连接，逐渐停止运转，回到待机状态。
(2)特点
从上述结构原理可知，它的储能装置既不用蓄电池，也不用飞轮，更没有静止型UPS的半导体变换器。具有如下优点：
①可靠性高。双变换型UPS系统中必须要有蓄电池和逆变器，这两个环节是AC-UPS产生故障的主要部分，柴油机式动态UPS没有这两个环节，显然大幅度提高了可靠性。
②整机效率高。双变换型UPS的电能要经过两次变换，有功率损耗；UPS和蓄电池都需要空调系统，也要消耗能量，而柴油机式动态UPS只需适当通风条件即可，不需要空调系统，显然其工作效率很高。
③工作寿命长。双变换型UPS的寿命约为10年左右，柴油机式动态UPS的寿命可达25年。
④环保性能及经济性能均很好。与飞轮式UPS相同，由于没有蓄电池了，不存在对环境的污染；体积小了，节省空间；无蓄电池及空调系统，成本也降低了，维护也方便了。
(3)存在问题
对于飞轮式UPS，人们主要担心的是后备时间问题，对于柴油机式动态UPS，因为其储能装置(感应耦合器)与发电机和柴油机是一体化结构，容易满足要求。
机械加工的精度要求仍然比较高，但其难度比悬浮式高真空飞轮要好一些，从而其工作寿命及价格情况具有一定优势。
(4)适用场合
目前这种UPS主要用于250～2500kVA供电系统中。对于不宜使用蓄电池的军用系统、现代数据中心等是非常适合的。
总之，从节能和环保这些基本国策而言，静态型UPS存在着明显的缺陷，这为飞轮式和柴油机式两种动态型UPS提供了良机，吸引了人们的眼球，在UPS市场上占有一席之地，具有较好地应用前景。
5.结束语
(1)在上世纪初期发明了以飞轮惯性为储能手段的动态型UPS，后来出现以半导体器件(晶闸管)为基础、以蓄电池为储能装置、以逆变器为核心的静止型UPS，现在飞轮型UPS经过改进又回来了，它的突出优点就是不用蓄电池，有利于环保。
(2)高频机型(含模块化)UPS是AC-UPS发展到较高阶段，具有技术先进及节能环保等多种优势，成为当前UPS应用的主流。
(3)逆变器是使AC-UPS工作可靠性不高的主要环节，电源技术工作者想办法取消逆变器，把蓄电池直接挂在IT设备的输入端，从而研发出DCUPS，实际上它就是一个高频整流器(兼充电器)+蓄电池+DC/DC变换器，输出直流3V、5V等电源直接送入IT设备，这样就更简单了。
(4)工频机型UPS由于存在诸多缺点，市场份额逐渐缩小，可以预见不久的将来，终将被高频机型UPS和直流输出型UPS所取代。
(5)利用飞轮式和柴油机式动态型UPS力图甩掉蓄电池，但又带来了复杂的机械问题及燃油问题。
由上述可见，科学技术的发展，就是由简单到复杂再到简单的过程，现在是多种机型同时存在，这是一种“过渡期”，与“社会多元化”的道理是相同的，而那种落后机型自然就会消亡，现在去市场购买照相机，谁还买胶卷式相机呢。但愿我国电源技术工作者共同努力，使这个过渡期短一些，新技术推广得快一些。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：对多种机型UPS同时存在状态的综合评述
相关文章
