不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的大容量已可作到600kVA。小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
基本原理:
UPS(Uninterruptiable Power Supply)译为不间断电源。由20世纪60年代的旋转发电机发展到目前的具有一定智能化程度的静止式全电子电路,它也是随着电子技术特别是功率器件和自动控制技术的飞速发展而日趋成熟的。其基本功能是:
市电中断供电时,能不间断供电;
始终向负载提供高质量的交流电源,达到稳压.稳频.抑制浪涌.尖峰.电噪音.补偿电压下陷.长期低压等因素干扰。
按其工作原理分为动态式(又称旋转式ROTATORY TYPE)和静态式(STATIC TYPE)。动态式UPS由引擎与发电机组构成,它是靠交流市电驱动交流电动机旋转,从而带动同轴的交流发电机和惯性飞轮同速旋转运行,由发电机向负载供电。市电波动时由于惯性飞轮对短时间的电压突变后干扰无反应,保证了输出电压的稳定;市电断电靠飞轮的惯性将额定电压供电再延长5秒钟,由于保存数据信息。后来发展到内燃机式UPS系统,但这类UPS体积大噪音大.效率低,在目前应用不多。就目前用得多的,常用的UPS还是静态式UPS,现在一般讲的UPS也是指静态式UPS,但在概念上还是应分清楚。
静态式UPS
动态式UPS因应用较少,所以在人们通常所指的UPS大都指静态式UPS。静态式UPS根据供电方式可分为在线式(ON-LINE),后备式(或称离线式,OFF-LINE/BACK-UP)及线上交互式(LINE-INTERACTIVE)三类。
真在线式UPS电源的定义是:当输入,负载和UPS本身都正常工作时,UPS电源将输入的交流市电先通过整流器变成直流电,然后通过逆变器将直流电逆变成交流电,输出标准的稳定的纯净的正弦波电源,也即在一切都正常的情况下,负载得到的是由逆变器输出的高质量的正弦波电源。
后备式UPS电源的定义是:当输入,负载及UPS本身都正常工作时,UPS仅仅是将市电做简单的升压,降压和滤波处理,然后直接输出给负载使用,只有当输入电源不符合要求时,UPS才将电池的直流逆变成交流电,输出给负载使用。也即,在大部分时间,负载使用的是输入电源本身或经过简单处理的输入电源。
互动式UPS电源的定义是:当市电电源在约150~264伏的范围内,它向用户提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电源(这就意味着:来自一般市电电网的频率波动,由“谐波污染”而形成的高波形畸变度及从电网串入的干扰等所困扰的低质量电源就是用户所实际使用的交流电源)对于这种UPS来说,仅仅当市电电源电压低于150伏或高于264伏左右时,它才有可能向用户提供真正的“UPS逆变器高质量的正弦波”电源。
现状和发展:
智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势,随着UPS在网络系统上应用,网络管理者强调整个网络系统为保护对象,希望整个网络系统在供电系统出现故障时,仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势,UPS内部硬件与软件的结合,大幅度提高了UPS的功能,可以监控UPS的运行工作状态,如:UPS输出电压频率,电网电压频率、电池状态以及故障记录等。还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电,以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量,依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时,UPS自动切换到电池供电,在电池供电能力不足时立即通知器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。智能型UPS通过接口与计算机进行通讯,从而使网络管理员能够控制UPS,因此其管理软件的功能就显得 重要。
UPS电源系统作为顺应电力市场需求发展起来的高技术产品,它具有明显的电力保护功能:当市电断电时,不间断地向负载继续供电;在市电不稳定的时候,可以避免负载遭受欠压、浪涌冲击等的危害,并全面地改善供电质量;当供电系统(包括UPS)故障时,能给负载(特别是计算机和网络系统)以全面的保护,并起到过载、短路、电池过放等防护,为负载提供一个稳定的工作环境。
随着IT系统逐步走向集中管理,企业对UPS电源保护系统的应用将更加深入。UPS的应用将呈现出从单机向冗余结构变化,从注重系统的可靠性向注重系统的可用性变化,从单纯供电系统向保证整个IT运行环境变化等趋势。而随着信息技术、电子技术、控制技术的发展,各种先进技术已广泛应用在UPS的设计开发和生产过程中,UPS的技术将出现以下六大发展趋势。
一是智能化
智能系统通过对各类信息的分析综合,除完成UPS相应部分正常运行的控制功能外,还应完成对运行中的UPS进行实时监测,对电路中的重要数据信息进行分析处理,从中得出各部分电路工作是否正常等功能;在UPS发生故障时,能根据检测结果,及时进行分析,诊断出故障部位,并给出处理方法;根据现场需要及时采取必要的自身应急保护控制动作,以防故障影响面的扩大;完成必要的自身维护,具有交换信息功能,可以随时向计算机输入或从联网机获取信息。
二是数字化
UPS采用最新的数字信号控制器(DSP)加以数字化的霍儿传感器件,实现了UPS系统的100%数字化运行。还采用了多重微处理器冗余系统,用多个有独立供应电源的微处理器来控制整流器、逆变器和内部静态旁路,因而提高了系统的数字化程度和可靠性。
三是高频化
第一代UPS的功率开关为可控硅,第二代为大功率晶体管或场效应管,第三代为IGBT(绝缘栅双极晶体管)。大功率晶体管或场效应管开关速度比可控硅要高一个数量级,而IGBT功率器件电流容量和速率又比大功率晶体管或场效应管大得多和快的多,使功率变换电路的工作频率高达50kHz。变换电路频率的提高,使得用于滤波的电感、电容以及噪音、体积等大为减少,使UPS效率、动态响应特性和控制精度等大为提高。
四是冗余并机技术
通过开发新的应用技术,可实现UPS内的多模块冗余并机运行,不需另外加设中央控制部件,负载均分,某一模块出现问题时,负载自动转移,维修可带电热插拔,大大提高单台UPS的供电可靠性。再加上多台UPS组成的系统冗余运行,如果某一台UPS单机发生故障,则被立刻关闭,其他的UPS系统会自动承担全部负载,对负载不会产生任何影响。
五是集成化
随着信息化的发展,电源保护的应用领域不断扩大和要求不断提高,UPS要达到这些需求难以独善其身,必须对整个用电系统所涉及的环节进行控制,UPS从初始的设备保护和系统保护的纯后备电源技术发展到今天的信息保护、智能管理和整体机房集成一体化应用,其内涵已扩展到发电、配电、变换、不间断电源、机房、动力设备、电力电缆、数据布线、环境控制及系统管理等方面,已不是 初意义上的UPS,UPS设备只是该系统的核心部件。
从UPS的电源技术来看,在电源输出特性的不断基础上,对电源输入特性的研究,使电磁兼容性、低谐波污染成为重要指标,谐波处理技术和电磁兼容设计可以改善电源对电网的负载特性,减少对其他设备的*,提高电源的源效应,绿色电源的概念开始为人们所注重。电子技术和计算机技术的发展,除了使UPS的电源性能得到 大提升外,其网络管理可实现远程监控,数字化电源控制技术使产品具备了定制功能,智能化的设计使其成为高度智能化的可监、可控和自适应的设备。
以信息化建设角度,UPS从过去侧重电气性能指标、可靠性和质量方面,发展到统一标准、规范,采用模块化和并联冗余技术,系统地考虑各供、用电设备和环节以及系统 TCO,提高UPS用电所涉及的整个系统可靠性、可用性、可管理性、可维护性和可扩展性。集成一体化应用为用户提供了完整和有效的电源应用解决方案,这种拓展方向适应了信息化建设的需要,但是为满足这一需求的变化,对UPS厂商来说,尤其是国内厂商,仍有许多工作要做。
六是绿色化
各种用电设备及电源装置产生的谐波电流严重污染电网,随着各种政策法规的出台,对无污染的绿色电源装置的呼声越来越高。UPS除加装高效输入滤波器外,还应在电网输入端采用功率因数校正技术,这样既可消除本身由于整流滤波电路产生的谐波电流,又可补偿输入功率因数。整流器使用IGBT技术,可将输入功率因数提高到接近于1,对电网的污染已降到了近似阻性负载的水平