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UPS新思路与高频开关电源式UPS (上)
  • 介绍了一种新型高频开关电源式不间断电源的构成原理与优点,它也代表了不间断电源技术的发展方向。

    电脑采用UPS的原因是市电不是稳定的,它存在着很多电能质量问题,例如电压浪涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、线路噪声、频率偏移、持续低电压、供电中断等。市电的这些质量问题既可能引起电脑的键盘锁定、硬件老化等相对较轻的不良影响,也可能导致数据完全丢失或主板烧毁等较大的事故。而UPS可以提高市电质量,使电脑与市电电源隔离,以消除*和市电中高压尖脉冲与暂态过电压的影响,当市电停电时利用蓄电池可以向电脑提供一段时间的电能,保护电脑稳定可靠地运行。因此电脑离不开UPS,UPS也离不开电脑。前期是电脑的应用促使了UPS的诞生,后期是UPS的应用又促使了电脑的普及与发展。

    UPS有交流UPS和直流UPS两种。从供电可靠性、安全性和运行效率来说,直流UPS比交流UPS具有更多的优点,诸如电路简单、所用器件少、成本低廉、功耗小、体积重量小、可靠性高、制造容易、维护方便等。但直流UPS也有一些缺点,例如不能通过输入变压器向负载供电,不能提供交流电能,稳压和变压困难,负载不能与市电隔离等。同时又由于历史原因和传统观念的影响,当前应用较多的仍然是交流UPS。

    1 当前交流UPS的种类与典型电路框图

    2009年,在《UPS应用》的组织发动下,进行了一场工频与高频UPS的大辩论,结果是高频UPS获胜。工频UPS失败的原因是:SCR多相相控整流是一个时滞环节,无法实现输出电压的快速调节,并会导致市电电网电压畸变,对市电*大,输入功率因数低、效率低、体积重量大,直流电压调节为非线性,对市电电压波动适应能力差,不能数控等而被淘汰。此后,由于采用平衡电感24相自耦变压工频整流器和采用自耦变压器的多相工频整流与 U d -PWM控制的研制成功,使工频UPS的性能完全赶上了高频UPS,但是高频UPS的开关损耗要大8~33倍[视高频UPS的开关频率(10~20)kHz,与工频UPS整流器的相数(12~24相)而定],这又促使高频UPS开关研制出了SPWM节能控制与软开关技术的应用,而SPWM节能控制又促使高频UPS的输出逆变器采用了中性点形成变压器NFT的应用,把高频UPS的开关损耗减小了50%以上。至此工频与高频UPS的性能已经基本相同,并达到了相当高的水平(市电输入功率因数PF都达到了0.999,对市电电压波动的适应能力都达到了±30%,整机效率都达到了94%,体积重量两者基本相同)。工频与高频UPS的典型电路框图如图1所示,其中图(a)为高频UPS的典型电路框图,图(b)为工频UPS的典型电路框图,图(c)为高频或工频UPS采用节能控制时逆变器采用中性点形成变压器NFT输出的电路框图。

    随着电脑应用领域的增多,各个领域又都各有自己的特点,因此对交流UPS的要求也各不相同,而作为公共设备的交流UPS则必须具备所有这些功能。同时,即使对同一个领域,由于不断发展的需要,对UPS的要求也越来越多,这就使交流UPS的电路越来越复杂,所用器件越来越多、成本越来越高、维修保养越来越复杂、可靠性越来越差。

    为了提高UPS的可靠性,又需要增多各种保护电路,或采用冗余并联工作方式。这种滚雪球式的发展方式导致交流UPS的生产维护技术的难度和销售价格指数增加,使一般中小型用户难以承受,严重影响了交流UPS的进一步推广应用。当这种矛盾发展到一定程度时,必然会引发一场UPS的技术改革。

    前面已经说过,由于当前交流UPS的性能指标已经达到了相当高的水平,同时电路的复杂程度,也已经达到了极限,所以再想用UPS本身的技术提高其性能,例如减小损耗提高效率,已经没有多少空间了,必须另想出路,这个出路就是利用负载侧电脑自身的高频开关电源成UPS。

    2 当前电脑的性能与开关电源的典型电路框图

    当前的电脑性能比20年前又有了显著的提高,当市电突然断电时可以延缓关机,使机内的数据和信息不再丢失,即使不用UPS,也不会使电脑遭到破坏。电脑的用电量也大大减少。箱式分体电脑的耗电量已经降到了250~300W,笔记本式电脑与由笔记本演化出来的一体式电脑的耗电量只有120W。电脑中的直流电源已经全部采用了高频开关电源。高频开关电源出现于20世纪50年代,到70年代开始20kHz革命,90年代革命成功,这是直流稳压电源发展史上的一个巨大的飞跃,到20世纪末开关电源技术已经成熟,并在电脑电源上得到了普遍应用。电脑的供电型式也得到了进步,例如笔记本电脑,采用了内部锂电池与外部适配器联合供电方式,形成了一个简单有效的单体机UPS供电方式。这就为本文前面提出的利用电脑自身的高频开关电源制成UPS创造了条件。

    为了减小低压大电流时线路压降、减小电源故障的影响范围,提高供电的可靠性,一般在小型电脑中都采用了高频开关电源,具体电路可能不完全相同,但其基本结构与组成是大致一样的,其典型电路框图如图2所示。它主要由抗*滤波器、高频整流器(PFC)和电容平滑滤波器三种电路组成的市电侧整流滤波器,以及由PWM高频逆变器、高频稳压隔离变压器、高频整流器、高频滤波及控制电路组成的高频DC/DC变换器两大部分组成的,输出低压直流电压为± U 01 =±12V;± U 02 =±5V;± U 03 =±3V,供电脑内部电路使用。允许输入市电电压的变化范围为165~270V,输出电压的稳定度为0.6%~1%。同时由图2也可以看出,高频开关电源的电能变换程式与图1所示的工频与高频交流UPS是基本相同的,这也为用高频开关电源制成UPS的新思路打下了基础。

    3 交流UPS的供电方式及存在的缺点

    交流UPS包括工频UPS与高频UPS两种机型,用市电对电脑供电的典型方式多采用集中供电方式。以图3所示的高频UPS为例,用图1及图2可以画出它的集中供电方式如图4所示。仔细地对这种集中供电方式进行分析可以发现,它存在有很多的缺点:

    ①前面已经说过,高频开关电源对电能的变换方式与高频UPS对电能的变换方式是相同的,因此这种UPS集中供电方式使电能的变换次数增多了一倍,所以满载开关损耗也增加了一倍,使整个供电系统的效率下降。同时还需要专用的场地与专人进行维护。假定高频UPS的效率为 η UPS ,高频开关电源的效率为 η S ,则整个供电系统的效率为η ,则

    η = η UPS · η S

    ②增大了对市电电源的污染和*,假定高频UPS的污染和*为d UPS ,开关电源的污染和*为d S ,则整个系统的污染和*为d,则

    d=d UPS ·d S

    ③可以使系统的负载减小,假定高频UPS的负载率为a UPS ,高频开关电源的负载率为a S ,则整个供电系统的负载率为a,则

    a=a UPS ·a S

    系统负载率的减小可以使供电系统的效率下降,如图5所示,也可以是市电输入电流的THDi增大,如图6所示,因此对市电的污染程度也增大了。

                                  

                               

    ④使供电系统的可靠性下降,假定高频UPS的可靠性为b UPS ,高频开关电源的可靠性为b S ,则整个供电系统的可靠性为b,则

    b=b UPS ·b S

    ⑤使供电系统的投资费和维修费增大,假定高频UPS的投资费和维修费为c UPS ,高频开关电源的投资费和维修费为c S ,则整个供电系统的投资费和维修费为c,则

    c=c UPS ·c S

    ⑥使用不方便,不利于供电系统的配电安装。

    因为真正需要用UPS供电的电气设备如电脑等,所占的比例不太多,而不需要UPS供电的电气设备所占的比例却很多。如果把这些设备混合用UPS集中供电,将会造成投资浪费,如果把两者分开,分别用UPS与市电供电,将会使配电安装困难,使用也很不方便。

    ⑦一旦高频UPS出问题或进行维修,所有电气设备就得不到UPS供电,同时集中供电还存在“零地电压”问题。

    ⑧为了增大供电系统的可靠性,又要采用多台UPS冗余并联供电,这样虽然增加了可靠性,但也增加了投资,降低了负载率,增加了运行损耗,降低了效率,很不经济。

    ⑨占地面积大,铅酸蓄电池也对环境有污染。

    ⑩高频UPS的开关频率目前只能达到20kHz,进一步高频化甚为困难。

    当前大功率高频UPS尚不便采用容量密度高、单位体积电压高、不含镉、铅、汞,没有污染的锂电池。

    前面已经说过,当前大功率交流UPS随着应用领域的增多,使用性能的扩展和必备功能的增多,使电路越来越复杂,售价越来越高,同时它的这种集中供电方式又存在着较多的缺点,因此必然会引起一场希望改变这种现状的UPS改革,并找出一种经济实惠、使用灵活方便的UPS供电方式。

    4 UPS的改革与自主分散供电方式

    UPS改革的目的有两个:一是把UPS的功能从交流UPS移到电脑的高频开关电源上;二是将传统的UPS集中供电方式改变成自主分散供电方式。

    当前实现这两个改革目标的依据,是基于以下三项技术成就:

    ①当前电脑用的高频开关电源电路,已经具备了除不能实现当市电中断时可以独立地继续向电脑进行直流供电的功能之外(因为在高频开关电源中,没有接入储能蓄电池组),已具备了UPS的所有功能。例如用图2所示的由抗*滤波器、高频整流器(PFC)、PWM高频逆变器、高频变压器和高频整流器组成的高频开关电源的电路框图,与图3所示的高频UPS电路进行比较可以发现,它们的电路组成、电能变换流程和变换方式是完全相同的,因此它们所具有的相应功能也是相同的。即电脑中的高频开关电源也具备了UPS的功能。只要在高频整流器(PFC)与PWM高频逆变器之间接入一组储能蓄电池,就可以构成一个性能优良的高频UPS

    ②由于当前电脑性能的提高和技术的进步,用电量大大降低,例如一体式电脑的耗电量已经降到120W,因此电脑的高频开关电源式UPS,可以采用容量密度高、单位体积电压高、不含镉、铅、汞,污染小、寿命长、不需要维护的锂离子电池。(未完待续)

    编辑:NIKI

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