UPS前沿技術

2019-11-03 09:55:08

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

楊濤
　　引言
　　隨著人們對生活品質要求的提高，家庭、辦公室、工廠等均朝著信息化、自動化的方向發展。與此同時，人們對高品質電力的需求也在日益增加。盡管UPS技術的發展不像計算機技術那么迅猛，但也是今非昔比。早先的UPS電源使用飛輪等慣性系統來達到輸出電壓的穩定，市電掉電后的輸出維持時間很短，并拌有很大的噪聲。
UPS技術發展到今天，其功能已經從最初單純的供電發展到今天的多功能并舉。現在的UPS不僅可以在計算機無人值守時定時開機關機，也可以在市電發生異常后通知計算機，還可按事先約定的順序關機，甚至還擁有通過聯網及遠程通訊進行遠程監控的能力。目前UPS發展的趨勢是朝向網絡化、特色化、智能化的方向發展。
　　UPS產品類型
　　從UPS的發展歷史來看，UPS產品經歷了兩個階段:旋轉式UPS和靜態變換式UPS。旋轉式UPS由整流器、電池、直流電動機、柴（汽）油機、飛輪和發電機組成。在市電供電情況下，電動機帶動飛輪和發電機給負載供電；當斷電后，由于飛輪的慣性作用，會繼續帶動發電機的轉子旋轉，從而使發電機能持續給負載提供電源（電能-動能-電能），起到緩沖的作用，同時啟動柴（汽）油機。當油機轉速與發電機轉速相同時，油機離合器與發電機相連，完成從市電到油機的轉換。這是UPS的較早的形式，盡管其維護簡單，也比較穩定，但系統龐大，操作不便，而且效率低，噪聲大，電力品質不高。技術條件的限制迫使人們不得不采用這種最簡單的解決方案。
　　隨著電腦網絡、醫療器械和精密儀器的不斷涌現和大量應用，旋轉式UPS已難以滿足人們的實際需求。因此隨著電力電子技術的發展，另一種形式的UPS—靜態變換式UPS便應運而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型。從技術上講，靜態式UPS分為三類：后備式（OFF LINE）、在線式（ON LINE）和在線互動式（ON LINE INTERACTIVE）。
　　后備式UPS電源一般使用的是工頻變壓器來進行能量傳遞的，電源笨重而且體積大。后備式UPS電源的功率變換主回路的構成比較簡單，主要由濾波電路和多抽頭變壓器組成，濾波電路可對市電中的干擾起到一定的抑制作用，多抽頭變壓器則可以起到電壓調節的功能，使UPS電源的輸出電壓在市電發生波動時也能維持穩定。后備式UPS電源的穩壓精度沒有在線式的高，但是完全可以滿足一般的應用需要。市電正常時，UPS一方面通過輸出變壓器穩壓后給用電設備供電，另一方面通過充電回路給后備電池充電，當電池充滿時，充電回路停止工作，在這種情況下，UPS的逆變電路不工作。當市電發生故障，逆變電路開始工作，后備電池放電，在一定時間內維持UPS的輸出。可見UPS存在一個從市電供電到電池供電的轉換過程，這種轉換一般是通過繼電器來實現，因此會有轉換時間，切換期間UPS的輸出會出現瞬間掉電的現象。不過轉換時間很短，一般只有幾個ms，并不會影響到計算機的正常工作。出于成本考慮，后備式UPS電源工作在逆變狀態時輸出電壓波形失真比較大，廉價的系統電壓輸出波形多是方波，做得好的可以實現正弦波輸出。后備式UPS電源在市電供電時具有很高的效率，這一點是顯而易見的。
　　在線式UPS電源一般采用雙變換模式。市電正常供電時，交流輸入經AC/DC變換轉換成直流，一方面給蓄電池充電，另一方面給逆變器供電，逆變器自始自終都處于工作狀態，將直流電壓經DC/AC逆變成交流電壓給用電設備供電。這樣的工作模式帶來的好處是：對外界電網的各種干擾起到了很好的隔離作用，交流輸出波形“干凈”（不帶任何干擾，接近于標準的正弦波），波形失真小，一般該類UPS電源的波形失真系數都能做到3%以下，而且輸出電壓的電壓穩定度和頻率穩定度都很高。另一方面當UPS電源從市電供電轉換到電池供電時其轉換時間幾乎是零，這種轉換時間是我們通常意義上所說的UPS轉換時間。不過在線式UPS電源也存在另一種轉換時間，那就是當蓄電池電壓低于允許值以下或逆變器有故障時，會發生由正常供電方式向由市電直接旁路供電方式切換的過程，這種切換是通過繼電器來實現的，因此也存在轉換時間，顯然這是一種故障狀態，與通常意義的轉換時間是不同的。
　　絕大多數在線式UPS電源都采用的是高頻變換技術，能量的變換也都使用的是高頻變壓器來完成的，這些電源都具有體積小、重量輕、噪聲低的特點，但有的在線式UPS電源仍然使用的是工頻變壓器，其線圈工作在高頻，磁芯卻工作在工頻，這種產品笨重，體積大。同樣是15分鐘的延時時間，3kVA的輸出容量，使用高頻變壓器的產品的重量只有使用工頻變壓器的產品的三分之一，體積也只有五分之一左右。在線式UPS電源在市電正常時一般都存在兩次能量變換過程，有的產品還是三次變換。由于每次能量變換都不可避免地會有能量損耗，因此正常工作時，在線式UPS電源的整機效率要比后備式的低。不過在線式UPS電源在為用電設備提供不間斷供電的同時，大大地改善了電源的供電質量。
　　在線互動式UPS電源也稱之為三端口式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的角度來考慮，其變壓器存在三個能量流動的端口，端口1連接市電輸入，端口2通過雙向變換器與蓄電池相連，端口3接輸出。市電供電時，交流經端口1流入變壓器，在穩壓電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭接入，同時在端口2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能量轉換來共同調節端口3上的輸出電壓，以此來達到比較好的穩壓效果。市電掉電時，蓄電池通過雙向變換器經端口2給變壓器供電，維持端口3上的交流輸出。在線互動式UPS電源在變壓器抽頭切換的過程中，雙向變換器作為逆變器方式工作，蓄電池供電，因此能實現輸出電壓的不間斷，同樣在由市電供電到電池供電的切換過程中也能做到沒有轉換時間。
　　在線互動式UPS電源的電路實現簡單，沒有單獨的充電器，帶來的是生產成本的降低和可靠性的提高，另一方面這類產品在市電供電工作時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換，使整機效率有所提高。可以說在線互動式UPS很好地結合了后備式UPS和在線式UPS的許多優點，是一種很不錯的變換形式，但是由于在線互動式UPS使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問題。

　　UPS新技術
　　APC Surge Arrest浪涌保護器是APC公司專門向中國市場提供的一個解決電源浪涌問題的電源保護產品。該系列產品提供交流電源的浪涌和抑制功能/電話線浪涌功能以及100Base-T和10Base-T數據的浪涌保護功能。這些過高的電壓浪涌沖擊可造成交流線路/通信線路所連接的設備損壞，該浪涌保護器可通過限制電壓的波動小于設備允許的電壓輸入波動范圍來為個人/企業級用戶提供最大限度的保護。Back-UPS系列產品是APC 公司專為保護臺式機、工作站和小型網絡節點所設計的不間斷電源產品，具有設計小巧、功能全面、電池熱可更換等一系列特性。APC Back-UPS AVR 500是專為中國用戶設計。該產品適用于電力供應不穩定環境中的商業計算機用戶提供持續的運行時間。Matrix系列UPS產品是對數據中心的先進模塊化電源管理。采用革命性的100%運行狀態下的熱插拔模塊化設計，通過增加由微處理器控制的SmartCell電池箱的數目，快速簡便地增加運行時間和可靠性。其液晶顯示控制面板提供了方便友好的人工控制界面；內置SmartSlot附件槽，支持SNMP管理和其他擴充管理功能的特性。APC的Symmetra電源陣列卻率先將“冗余”和“陣列”技術成功引入UPS領域，從而將UPS的綜合性能提高了4倍，將可用性由原先的95%提高到99.99%，實現了UPS技術的一次質的飛躍。APC的Silcon DP300E系列UPS適用于大型數據中心及相關設備的保護，是采用電壓補償技術的第四代UPS產品家族中的代表性產品。該系列產品采用了DELTA變換技術，使得DP300E系列UPS具有最高的效率（效率最高達97%）和最強的輸出能力。同時，內部功率因數控制電路的應用，使輸入功率因數近似恒等于1，這意味著將不需要額外的相位補償裝置，減少了設備投資。
山特公司推出的分別針對個人PC、上網PC和穩壓型上網PC的TG系列、PRO、MT產品，在制造工藝上采用新型的SMD表面粘貼技術，將PC板上的電阻、電容、三極管等元件改為SMD貼片，節省空間，減少干擾，布線更加合理，進一步提高了整機的可靠性；并且移植了山特在線式UPS的PWM高頻技術，實現了40kHz工作頻率的技術飛躍，使得整機的體積和重量大幅下降，產品小巧玲瓏，可以直接擺放在電腦旁。產品一上市就得到了用戶的認可。
　　山特在線互動式InterPower系列UPS—N1000/N1000（S），在為用戶提供穩定、純凈電源的同時，還提供了輕松上網智能管理網絡電源的功能，令用戶的電力環境隨時在掌控之中。
　　山特公司推出的MT1000型UPS是專門針對高檔工作站用戶的需要而設計的網絡型UPS。MT1000的電壓輸入范圍達162~286V，特別適用于電力環境惡劣的地區，同時它也可以搭配發電機使用。該產品具備有1600VA的穩壓輸出能量，并可自動調節輸出電壓，除了保護電腦設備外，還可外接打印機或掃描儀等設備，避免了復雜的外部連線，并可對設備進行突波保護。MT1000共具備6個國標、美標共用插座，可以適應多種規格的電源插座；并采用了先進的CPU集成控制技術，可以更加準確可靠地偵測斷電、斷路、過載、高低壓、突波等電力狀況，當UPS超載后，只需重新按下RESET按鈕即可，可以很快恢復到正常工作狀態，不需要更換保險絲。MT1000同時還配有RJ45/軟件1網絡保護接口，提供網絡纜線或外接Modem，對上網設備進行突波保護。除此之外，MT1000更具備了DB－9P電腦通訊接口，搭配WinPower98軟件可進行自動存盤、關機等工作，并對UPS使用情況進行監控管理。
　　梅蘭日蘭是第一家基于微軟的新HID（人機界面裝置）協議提供電源管理軟件的制造商。HID擬定作為任何裝置同Windows 2000接口的標準協議。
將HID和USB（通用串行總線）相結合，用于梅蘭日蘭最新制造的UPS機型上—它完全可以作到即插即用，而且提供系統化的特性裝置，達到優化電源的使用和最大限度的數據安全。針對梅蘭日蘭最新的UPS機型，Windows 2000包含一個電源軟件，自動安裝驅動器，使UPS的功能與電池組之間的后備時間作到無縫。
作為UPS技術的領先者，梅蘭日蘭在UPS新產品的研究和開發上加大力度，確保向用戶提供品質一流的產品。梅蘭日蘭的新產品遵循新的開放式協議，減少了過去的不兼容性，并且同目前流行的操作系統達到最高水平的集成。為此，梅蘭日蘭選擇了HID協議，該協議的設計主要是面向計算機輸入裝置的，例如鼠標、鍵盤等，但它還理想地適用于管理電源裝置，例如，電池的后備時間或UPS。梅蘭日蘭與微軟合作開發的具有電源管理等級的HID協議，將會在所有的梅蘭日蘭新產品中實現，最先的應用是在新推出的藍星 Pulsar Ellipse中。
　　梅蘭日蘭 UPS SYSTEMS采用了新式液體冷卻技術，充分保證了SIIM器件的性能發揮和運行可靠性。它所選用的冷卻液體滿足嚴格的環境保護標準，具有10年以上的使用壽命，比UPS中的其他器件具有更長的使用壽命。例如直流電容往往只有5年的使用壽命。封閉式的液冷系統裝有液泵以保證冷卻液以常壓在冷卻器中循環。冷卻系統還包括液體-氣體熱交換器和風扇。這種結構設計保證了SIIM器件在安裝底座上的直接冷卻，因此降低了器件接觸表面的運行溫度，從而延長了器件的使用壽命。應用這項技術于電力電子技術領域，實為MGE UPS SYSTEMS首創，用戶將從這種技術中獲得豐厚的收益。
　　德國西門子公司是世界上最早生產UPS的少數廠家之一。從最早的動態型、靜態型到現在的智能化靜態型UPS，西門子一直都是該領域的先行者。其主力產品S系列UPS是西門子最新一代UPS系統，它外型設計優雅，內部結構精密嚴謹，品質卓越，具有很高的可靠性和智能化程度，西門子S系列UPS有以下幾個特點：真正在線式，絕對電氣隔離的雙重變換IGBT高頻技術；世界最先進的全數字化技術和特有的模塊化設計；高度的可靠性，MTBF可達26萬小時；獨特的蓄電池管理系統，使電池壽命延長40%；強大的并聯功能，相同容量8臺可直接并聯運行，最終容量可達2400kVA；提供多種通信接口，監控軟件可運行于目前任何操作系統的網絡中，實現真正的智能化；電抗性損耗接近零。
　　臺達UPS是目前所有UPS廠家中產品線較長的一家。從后備式500VA、1000VA到160kVA全系列，臺達UPS都有各自的特色，特別是三相T系列UPS，采用先進的多組CPU智慧型控制，提高了系統的可靠度。智慧型微處理器控制的多國語言圖形化LCD顯示使UPS更易于操作；電源管理軟件“電力管理大師”UPSentry用一臺PC可以監控31臺UPS，同時可以通過局域網、廣域網或Internet進行控制。SNMP適配器提供UPS遠端控制及狀態監視的網路管理能力。
　　愛克賽新一代UPS產品在網絡保護和數據穩定傳輸方面都有新的突破，并極大地降低了數據傳輸的誤碼率，確保了網絡系統正常運行。拿Powerware 9110系列產品來說，因具有超寬的輸入電壓范圍，即使在極端惡劣的市電環境下，Powerware 9110也能完全正常地工作，大大減少了電池的放電次數，從而有效地延長電池使用壽命。Powerware 9110獨具開機檢驗功能，事先排除故障隱患；領先的智能化設計更使Powerware 9110獨具頻率自選功能，無論是50Hz電網還是60Hz電網，Powerware 9110都能夠自動適應。與同類產品相比，Powerware 9110具有極強的抗干擾能力，電磁兼容性達到EN50091-2ClassB級。Powerware 9110附帶有功能強大的電源監控軟件 LanSafeⅢ，它能適應各種操作系統，并且能夠跨平臺工作。當輸入電源發生故障時，在LanSafeⅢ軟件的調控下，UPS會按照用戶預置的順序自動執行數據存盤，然后再關機，從而使用戶的系統得到有效地保護。
　　此外，其Powerware 9315獨特的熱同步直接并機技術，使各UPS單機之間無需通訊電纜連接，就可以實現并機的“均流”控制。對于并機系統中的各臺UPS，它們都處于完全“平等”的調控狀態中，每臺UPS能獨立完成同步跟蹤和均分負載等并機調控功能，從而除去了系統級的單點故障“瓶頸”現象，環流幾乎為零。為確保電池的有效使用壽命，Powerware 9315配置具有完善的智能化電池管理系統，獨特的電池測試維護軟件。利用DC Expert的“自診斷”定時監控功能使用戶對電池的維護進行預先策劃，從而避免再發生市電停電事故時，因電池損壞而引起負載供電中斷的重大事故，提高整機供電系統的可靠性。 Powerware 9315采用易看和易操作的大屏幕液晶顯示屏（30行，每行80字符），借助于人-機對話型的菜單操作隨機記錄UPS運行狀態，提供可靠的原始數據和UPS系統運行統計資料，便于分析故障原因。該機同時向用戶提供RS232和RS485接口、一組繼電器干接點輸出接口和一組“用戶自定義”報警信號輸入接口等四種通訊接口，再配置上愛克賽公司提供的電源監管軟件，就可以實現遠程集中監控。Power Vision軟件提供了預先報警的功能，而ForeSeer軟件通過SNMP為用戶提供全方位的企業管理。
　　科華公司自主開發的多模式充電技術，通過對電池充放電的科學管理達到降低電池損耗、延長電池壽命的目的。其自主研發的KELONG牌POWERSOFT多平臺電源管理軟件，能適用于多種系統操作平臺，例如：WINDOWS各版本、Novell Netware各版本、SCO UNIX、MS-DOS、Artissoft LANtastic、Microft LAN Manager等多種流行操作系統或專用操作系統。運用該系統通過計算機可實時監控UPS的運行狀態。此外科華網絡型UPS配有RS232接口，且支持SNMP網絡適配器，其中大功率UPS還配有RS485接口。通過這些配置可實行自動尋呼、發送E-mail、語音、語效功能，UPS遠程開關機等多項功能。
　　科華公司結合智能化管理系統設計了專門的長延時充電器，因而KELONG牌長延時機型可任意配置電池延長供電時間，增加備份工作時間。科華公司采用先進的功率器件，例如KELONG牌FR-UK系列和KR系列等在線式產品采用了第四代大容量功率器件IGBT。（該功率器件既降低了UPS對電網的各種諧波干擾，又提高了UPS對各種高波峰比脈動負載的適應性；SPWM逆變器設計了獨特的三重過流保護技術，逆變器的平均無故障時間MTBF達10萬小時以上）。此外，科華公司智能型UPS采用高性能微處理器作為控制核心，全數字化處理UPS的核心控制。
　　由德州儀器公司（TI）開發，領先的服務器端UPS生產廠商科爾茂（Chroma）等廠商率先采用的數位信號處理專利技術（Digital Signal Processing，簡稱DSP技術）是較具發展潛力的一種電源保護解決方案。隨著用戶對電源保護的要求越來越嚴格，在線式UPS產品也得到了長足的發展，此時改進UPS工作狀況的角度不再是設備的工作模式，而是從集成化的角度來替換由電容、電阻和二極管的電路設計，這就是用DSP技術改善在線式UPS設計。科爾茂9100系列產品中引進了美國德州儀器的專利DSP技術，將數字技術成功地應用于UPS控制技術環節，從而簡化了傳統UPS設備制造方面的線路電路的設計，優化了產品本身系統的設計，從多個方面改善了設備的技術標準。
　　傳統的在線式UPS設計零部件較多，所以產品的穩定度、可信度、反應速度等因素度比較差，在2~3年后，元器件受損，維修和維護都將變得難以實現；而采用DSP技術設計的新生代UPS產品數位化，零部件少，精確度高，核心部件的維護和維修更加容易。
　　追求電壓的穩定性是所有UPS廠商的共同目標，在實際應用中斷電、停電所造成的危害比電壓的不穩定要小，所以苛刻的電壓穩定要求是網絡商務安全的核心。傳統的在線式UPS的輸出電壓誤差可達2%~3%，如此高的輸出電壓誤差，對UPS本身易造成損害，導致效率差，部件壽命降低。科爾茂9100系列產品的輸出電壓誤差為1%，更適合高精度的電源保護需求，電源的轉換功率高。
　　設備間因負載變動產生的UPS輸出失真使得電壓值下降，設備電源供應器負擔增加，功率損失而且產品壽命減少。輸出失真造成諧波增加，容易干擾其他設備。傳統的在線式UPS失真度為3%~5%，而科爾茂的9100系列產品的失真度小于2%。
　　傳統的在線式UPS超載運行能力低，多數情況下不具備短路保護/短路自動切換等功能，而科爾茂9100系列產品適合各種形式負載啟動時產生的超載情況。一般傳統的在線式UPS在105%負載時最多可以維持10秒，而科爾茂9100系列產品在125%負載時可以維持1分鐘.

上一篇：互聯網時代的UPS電源

下一篇：全數字化不間斷電源