UPS內(nèi)部不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析和評估

可靠性、功能性、可維護(hù)性和容錯性被譽(yù)為USP供電系統(tǒng)的“高可用性”系統(tǒng)的四個(gè)必須要素，而UPS內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的可靠性和功能性起著決定作用?？捎眯缘年P(guān)鍵要素，尤其是可維護(hù)行和容錯性，很大程度上取決于UPS冗余和配電系統(tǒng)選擇，本文對UPS內(nèi)部不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和評估，說明個(gè)結(jié)構(gòu)如何對“高可用性”電源系統(tǒng)的四個(gè)要素產(chǎn)生影響的。

一、UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：離線式UPS或后備式電源(SPS)

離線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最簡單的一種UPS結(jié)構(gòu)，如圖1所示。正常運(yùn)行情況下，交流市電直接流經(jīng)UPS直至重要負(fù)載。充電器或“4象限變流器”將交流電轉(zhuǎn)換為直流電向電池充電。逆變器用于將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，當(dāng)市電故障時(shí)為負(fù)載供電。逆變器通常運(yùn)行于待機(jī)模式，保持對電池充電。如果市電超過規(guī)定范圍，逆變器通過電池向負(fù)載供電。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為“單變換”，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)候，電源只能轉(zhuǎn)換一次(交流轉(zhuǎn)換為直流或直流轉(zhuǎn)換為交流)。正常運(yùn)行情況下，少量交流電轉(zhuǎn)換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規(guī)定范圍時(shí)，UPS檢測到電源故障，切換繼電器動作，輸出逆變器啟動逆變器將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，向負(fù)載供電。

離線式UPS價(jià)格非常低廉，僅適合于家用或?yàn)橄蛑恍枰獙?shí)施斷電保護(hù)應(yīng)用的單臺計(jì)算機(jī)工作站供電的情形。有時(shí)離線式產(chǎn)品內(nèi)置浪涌抑制和/或“降壓和升壓”電路，補(bǔ)償較高或較低的輸入電壓，但不嘗試提供任何有效的輸入電源調(diào)節(jié)。

離線式UPS在設(shè)計(jì)簡單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線式UPS一般應(yīng)用于單相非重要負(fù)載。尤其是不兼容發(fā)電機(jī)等不足，使其不適用于三相應(yīng)用。

二、UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：互動式UPS

互動式UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)與離線式UPS產(chǎn)品類似，不同之處是在市電電源和負(fù)載之間按照串聯(lián)的結(jié)構(gòu)加入變壓器了或電感器。該電感器使UPS逆變器可以與輸入電源“交互”，并對連接至負(fù)載的輸出電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

四象限變換器一般為恒壓設(shè)備。負(fù)載或輸入電壓變化時(shí)，四象限變換器通過調(diào)整輸出相位角，作出相應(yīng)的改變。負(fù)載頻繁的發(fā)生變化，將導(dǎo)致電池放電，電池的頻繁放電將大大縮短其使用壽命。

互動式UPS產(chǎn)品的另一個(gè)不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負(fù)載與輸入電源間實(shí)現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負(fù)載。若不實(shí)施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負(fù)載的正常工作。

互動式UPS產(chǎn)品的另一個(gè)不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負(fù)載與輸入電源間實(shí)現(xiàn)隔離。頻率出現(xiàn)微擾和電源質(zhì)量較差，將直接影響到重要負(fù)載。若不實(shí)施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負(fù)載的正常工作。

與離線式UPS相同，互動式UPS產(chǎn)品價(jià)格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時(shí)向重要負(fù)載供電，且僅在電池工作期間運(yùn)作。與離線式UPS相比，互動式UPS設(shè)備由于其串聯(lián)電感器以及電源調(diào)節(jié)功能，在效率方面有所損耗。另外，當(dāng)UPS轉(zhuǎn)換為電池供電時(shí)，通常至少會出現(xiàn)一點(diǎn)(但可測)電壓跌落。

發(fā)電機(jī)兼容性

離線式UPS和互動式UPS產(chǎn)品需要輸入電源的頻率和相位非常穩(wěn)定。電源頻率必須穩(wěn)定，是因?yàn)槟孀兤鞅仨毟欕娫搭l率，以校準(zhǔn)電壓和電流，這樣系統(tǒng)輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過電池運(yùn)行。

比較典型的運(yùn)行問題是當(dāng)啟動發(fā)電機(jī)上的其它負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出頻率將發(fā)生很大變化，從而導(dǎo)致離線式UPS或互動式UPS通過電池放電。該問題在天然氣發(fā)電機(jī)組上尤為明顯。電池反復(fù)充放電，很可能導(dǎo)致電池的過放電，將大大縮短電池壽命。另一個(gè)潛在問題是UPS負(fù)載加載時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出會不穩(wěn)定，也就是說UPS負(fù)載的突加，會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓和頻率跌落，從而導(dǎo)致UPS進(jìn)入電池放電的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定后，UPS恢復(fù)到正常狀態(tài)，如果發(fā)電機(jī)輸出電壓再次下降時(shí)，UPS將再次進(jìn)入電池放電狀態(tài)。

對于雙變換UPS則不會出現(xiàn)上述問題。雙變換UPS調(diào)整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現(xiàn)較大變化，同時(shí)繼續(xù)提供穩(wěn)定的輸出頻率，而無需使用電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經(jīng)開發(fā)出減少輸出電流畸變的技術(shù)，極大地提高UPS與發(fā)電機(jī)的兼容性，使負(fù)載規(guī)格選擇更為準(zhǔn)確。雙變換UPS容量與發(fā)電機(jī)的容量配比可以達(dá)到1.25~1.5：1，不會發(fā)生運(yùn)行問題。

三、UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：具有功率因數(shù)校正功能的在線性互動式結(jié)構(gòu)(包括“Delta變換式”產(chǎn)品)

近年來，有幾家公司推出了具有功率因數(shù)校正功能的在線互動式三相UPS產(chǎn)品。與離線式產(chǎn)品和一般的互動式產(chǎn)品相比，這些產(chǎn)品改善了電源的調(diào)控性能，提高了輸出的電源質(zhì)量。但同時(shí)也產(chǎn)生了一些不利因素，如有源功率調(diào)節(jié)會使效率降低。實(shí)際上，在帶非線性負(fù)載(一般為計(jì)算機(jī)負(fù)載)時(shí)，其效率一般都低于雙變換UPS產(chǎn)品。并且這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性相對于雙變換UPS而言往往是有過之而無不及。及為容易誤導(dǎo)用戶的是，該種類型的在線互動式產(chǎn)品甚至被標(biāo)榜為“在線式”產(chǎn)品，因?yàn)槠淠孀兤魇冀K“運(yùn)行”，提供電壓調(diào)節(jié)或輸入功率因數(shù)校正?！?/P>