雙變換UPS技術的現狀及發展趨勢

                      2019-03-04

                      雙變換UPS

                      雙變換UPS輸入采用晶閘管相控整流,輸出配備隔離變壓器。該類UPS是當前市場的主流機型,目前市場上各大型通訊局站均配備該種機型。該系統由整流器/充電器、逆變器、蓄電池和靜態開關等組成。正常的情況下,市電電源經整流器/充電器變換為直流電,供給逆變器同時給蓄電池充電。逆變器將直流電變換為交流電給負載供電。當市電出現故障時,逆變器由蓄電池供電繼續運行,為負載提供電源。當整流器/充電器、逆變器、蓄電池中任何部件故障、負載故障或過載時,由靜態開關將負載轉換至市電,由市電應急供電,這稱為旁路方式。

                      該種機型UPS采用晶閘管相控整流,具有成本低、效率高的特點。另外,輸出采用隔離變壓器隔離輸出,保證了系統的安全可靠。在這種UPS中,市電電源經過了整流/逆變兩次電力變換,使負載設備與市電電源完全隔離。實際上,UPS接收市電電源進行變換和調節,再生了全新的連續的高質量交流電源,其輸出指標如電壓和頻率穩定度(靜態和動態)、波形失真度等都達到了很高的水平。由于逆變器在市電正常和故障時均連續為負載供電,從市電供電向蓄電池供電的轉換過程中不產生中斷。

                      雙變換UPS中的靜態開關是非常重要的部件,因為許多逆變器特別是PWN逆變器的過載能力較差,一般不能承受較大的負載設備的啟動電流和負載短路電流。在這種情況下,逆變器將進入限流狀態,故一般不能啟動較大的負載設備或在輸出短路時不能熔斷輸出熔斷器以排除故障。當UPS輸出電流大于一定值時,靜態開關將負載轉換市電電源,利用市電啟動負載或排除故障。

                      雙變換UPS中的整流器/充電器、逆變器均為連續工作,其內部的半導體元件長期處于滿負載狀態,負載浪涌電流的沖擊也會使半導體元件承受較大的應力,造成潛在的故障。因此,雙變換UPS的靜態開關和整流器/充電器、逆變器都是非常關鍵的部件,其半導體元件一般都降額使用或按照冗余方式設計,以提高系統的可靠性。

                      雙變換UPS系統的不足

                      a. 輸入紋波電流大

                      雙變換UPS的輸入端一般采用6脈沖晶閘管相控整流器,有些大功率UPS采用12 脈沖晶閘管相控整流器。這些整流器內部的晶閘管整流元件在每個電源周期內輪流導通,因為換相時連接在交流電源不同相線上的兩個晶閘管在短暫的時間內同時導通,造成瞬時電源相間短路,因而在電源電壓波形上形成了所謂換相凹口,實際上就是電壓波形失真。

                      此外,當某個整流元件被觸發導通時,市電電源相應的相電壓就突然加到直流側的濾波電感上,使該相電流突然上升,由于濾波電感足夠大,電流基本上保持恒定,直到下一個整流元件被觸發導通。結果形成了脈沖型的輸入電流波形。因此該種電流波形不是平滑的正弦波,這種非正弦波是由基波和諧波分量組成的。輸入端為6脈沖整流器的雙變換UPS的輸入電流中含有5、7、11和13次等諧波分量,總諧波失真(THD)可達30%以上。采用12脈沖整流器時,含有11,13次等諧波分量,總諧波失真為10%左右。

                      另外,諧波電流在配電系統中流動時,由于集膚效應導致電路阻抗增加,引起附加的損耗,使電纜、配電設備、熔絲、變壓器和備用發電機發熱,從而導致了系統的可靠性降低。

                      b. 電源電壓波形失真較大

                      在電源系統中,非線性負載可以等效為一線性負載和一系列的諧波電流源(多個不同頻率的諧波電流源)的疊加。因此可以認為,連接到50Hz市電電源上的非線性負載從電源吸收基波電流并向電源反饋諧波電流,諧波電流沿著阻抗最小的通道流向電源。

                      諧波電流流過電源的內阻Zsn (對諧波電流的阻抗)時,將產生諧波電壓。第n次諧波電流產生的諧波電壓為:

                      Vn=In? Zn

                      電源輸出電壓Vn等于基波電壓與諧波電壓的向量和,諧波電壓疊加在基波電壓V1上,必然引起較大的電源電壓失真。

                      由于電源電壓失真,還會產生更大的諧波電流。因為失真電源電壓本身包含各種頻次的諧波電壓,加在線性負載上也會產生相同頻次的諧波電流。電源電壓失真會使電源系統的電容器、變壓器等產生附加的發熱,并能引起某些靈敏負載設備的工作異常。

                      c. 功率因數較低

                      在線性電路中,功率因數等于電壓和電流之間的相角的余弦(cos↓),通常稱為相移功率因數。在非線性電路中,相移功率因數僅適用于基波功率,對于諧波功率需采用失真功率因數。因為非線性負載的電流是由基波和各次諧波電流組成的,非線性負載功率等于基波和諧波電流產生的功率之和。由于電源電壓本質上是基波電壓(無諧波電壓),故只有基波電流能夠產生有功功率。而諧波電流只能產生無功功率,使視在功率增加。諧波電流越大,視在功率越大。而基波電流是由負載功率要求決定的,在一定的負載條件下,基波電流是固定的,因此有功功率是固定的。

                      非線性電路的總功率因數由相移功率因數與失真功率因數兩部分組成。因此,諧波電流越大,總功率因數越低。低功率因數將使輸入電流增大,不但產生了附加的配電損耗,而且可能引起斷路非正常跳閘、熔斷器非正常熔斷。

                      值得指出的是,由諧波電流產生的無功率不可能用常規的功率因數校正電容器加以補償。而且諧波電流還有可能引發系統諧振,因為電容器與系統電感的組合可能在某諧波頻率上發生諧振,諧振電流會引起電壓失真,使電容器發熱。

                      此外,由于雙變換UPS控制方式采用模擬控制,因此容易產生器件參數飄移

                      雙變換UPS的優點

                      該種機型最大的優點就是效率較高,單機成本較低。由于輸入采用晶閘管相控整流,在成本和功耗上相對現在Liebert推出的iTrust系列大容量UPS具有一定的優勢,但是后者有良好的輸入特性。

                      UPS新技術

                      針對上述傳統雙變換UPS的缺點,世界上各大型UPS廠家均著力開發新一代性能更優越的UPS,如Liebert公司最近推向市場的iTrust系列大容量UPS充分考慮了現有客戶需求,在于輸入采用高頻整流技術,輸入功率因素高達0.99以上,輸入諧波電流<3%。另外,整流器與逆變器均采用全數字的控制方案,適應了現代通訊技術的發展要求。輸出依然采用傳統的輸出隔離變壓器,增強了系統的抗干擾能力,同時大大降低了控制失敗導致的輸出直流電壓對用戶負載的損壞幾率,有效提高了系統的可靠性。

                      另外,低成本高性能的高頻機也將在一段時間之后成為市場的主流機型。該種機型UPS是在上述未來主流機型基礎上省去了輸出隔離變壓器,大大節省了成本,大約為上述機型的60%,極具市場競爭力。缺點是目前該種技術不夠成熟,可靠性較低。但是,隨著技術水平的提高,可靠性將會大大增強,相信不久的將來,該種機型將成為未來UPS的新型主流機型。

                      在散熱技術方面,目前大部分的UPS都采用散熱器風冷散熱,成本較高,而且噪音很大,特別是大功率UPS(容量在60kVA以上),噪音問題尤其突出。為了在散熱問題上有所突破,各大型UPS廠家均投入大量的財力、人力進行研究。目前,MGE推出的新型高頻機所采用的水冷散熱技術具有新的突破,盡管該種散熱技術還不是完全意義上的水冷,但是其成本低、散熱均勻,需要的風扇功率小,有效降低了系統噪聲。

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