UPS(Uninterruptible Power System)交流不間斷電源作為通訊、網絡、製造業等各行各業廣泛使用的電源系統,其不間斷功能、淨化功能和保障數據與生產安全的作用顯得越來越重要。市場上提供UPS的廠家和品牌也多種多樣,對UPS的工作方式的劃分也各有標準。作為信息與生產系統的關鍵設備之一,中國、國際電聯、歐盟等標準組織都從UPS的核心工作機理上對UPS進行了明確的定義。
根據《中華人民共和國國家標準GB07260-2003 第3部分:確定性能的方法和試驗要求》的附錄B定義,將UPS運行分為:雙變換運行、互動運行、後備運行等三類運行方式,即UPS行業廣為熟悉的雙變換UPS、互動UPS、後備UPS等三種。我國的國標GB7260等同國際電聯標準IEC62040 Uninterruptible power systems(UPS),也等同歐洲標準EN 62040-2001。
1、 國家標準GB07260、IEC標準IEC62040、歐洲標準EN 62040對UPS定義
1) 雙變換UPS
國標定義為「在正常運行方式下,由整流器/逆變器組合連續地向負載供電。當交流輸入供電超出了UPS預定允差,UPS單元轉入儲能供電運行方式,由蓄電池/逆變器組合在儲能供電時間內,或者在交流輸入電源恢復到UPS設計的允差之前(按兩者之較短時間),連續向負載供電」。
同時國標強調,避免使用「在線」一詞,防止定義混淆,而只使用術語「雙變換」。下圖為國標GB07260-2003/ 國際電聯標準IEC62040對在線UPS的定義與說明:
圖:IEC62040對雙變換UPS的定義,等同國標
2) 互動UPS
國標定義為:在正常運行方式下,由合適的電源通過並聯的交流輸入和UPS逆變器向負載供電。
國標特別強調:
(1) 逆變器或者電源接口的操作是為了調節輸出電壓和/或給蓄電池充電。
(2) UPS輸出頻率取決於交流輸入頻率。
(3) 後備UPS
國標定義為:在正常運行方式下,負載由交流輸入電源的主電源經由UPS開關供電。可能需結合附加設備(例如鐵磁諧振變壓器或者自動抽頭切換變壓器)對供電進行調節。這種UPS通常稱為「離線UPS」,下圖為標準對互動UPS的解釋:
2、 中國市場UPS宣傳與定義
在中國市場,部分專家將UPS分為四種:
後備式(OFF LINE)
在線互動式(INTERACTIVE)
Delta變換
在線式雙變換(ON LINE)
等四種類型。實際上這種劃分是不符合UPS的業界標準,人為從市場角度定義的方法。下面詳細說明各種UPS的技術與性能:
I.後備式UPS電源
一種價格低廉,僅能滿足一般客戶要求的普及型UPS電源。由於性能的限制,出於市場的考慮,容量一般只有0.5-2KVA左右。
如GB、IEC、EN等標準所言,後備式UPS電源的功率變換主迴路的構成比較簡單,主要由濾波電路和電池充電與逆變電路組成,濾波電路可對市電中的幹擾起到一定的抑制作用。市電正常時,UPS一方面通過濾波電路向用電設備供電,另一方面通過充電迴路給後備電池充電。當電池充滿時,充電迴路停止工作,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,後備電池放電,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,一般小於15ms,並不會影響到普通計算機的正常工作,但對於伺服器等高端設備來說,後備式UPS的供電質量是遠遠不夠的。出於成本考慮,後備式UPS電源工作在逆變狀態時輸出電壓波形失真比較大,普通後備式UPS輸出波形是方波或梯形波,部分高檔產品的可以實現準正弦波輸出。後備式UPS電源由於在市電供電時不使用變換器,因此具有很高的效率,這一點是顯而易見的。
後備式UPS框圖
II.在線互動式UPS,即為標準的互動UPS
部分廠家稱為準在線式UPS電源(標準強調為避免呼嘯,禁止使用「在線」術語),市電供電在一定範圍內時,UPS認為電網基本正常,交流電通過工頻變壓器直接輸送給負載;當市電超出上述範圍,但在150-276V之間時,UPS通過邏輯控制,驅動繼電器動作,使工頻變壓器抽頭升壓或降壓,然後向負載供電。若市電低於150V或高於276V,UPS將啟動逆變器工作,由電池逆變向負載供電。在市電在150-276V之間時,身兼充電器/逆變器的變換器同時還給電池充電,處於熱備份狀態,一旦市電異常,馬上就轉換為逆變狀態,為負載供電。
互動式UPS與後備式UPS的區別是,變換器時刻處於熱備份狀態,市電/逆變切換時間比後備式要短。相對在線式UPS而言,它的電路實現簡單,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時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換,使整機效率有所提高。但是,在電網電壓正常時,由於它是直接通過工頻變壓器供電給負載,所以負載使用的同樣是充斥著諧波和尖峰的交流電,不利於高端設備的使用,市電逆變切換時,也存在切換時間。
互動式UPS原理圖
III. 在線式雙變換UPS,即標準所定義的雙變換UPS(Double Conversion)
這種UPS採用雙變換模式。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,逆變器自始至終都處於工作狀態,將直流電壓經DC/AC逆變成交流電壓給用電設備供電。
在線式UPS具有極其優越的電氣特性:由於採用了AC/DC、DC/AC雙變換設計,可完全消除來自於市電電網的任何電壓波動、波形畸變、頻率波動及幹擾產生的任何影響。UPS逆變器向負載提供毫無幹擾的高質量的純潔正弦波電源;
在線式UPS原理圖
IV. Delta UPS,
最早由Silcon公司引入UPS,並持有專利,後被美國APC收購。
國內部分學者稱Delta UPS為第五代最新UPS,實際上是沒有認識到其根本的工作機理。下圖為廠家公開的技術框圖:
圖:公開發表的Delta UPS原理圖
廠家技術文件表明:正常工作時,負載所獲電源中85%的電源是直接取自於市電電網(圖中紅線),15%以下的電源才是由「Delta 變換器」所提供。
從原理圖和技術說明中,專業學者不難看出:Delta UPS的核心工作機理是串聯的交流穩壓與補償技術。早在20世紀50年代,這種技術就廣泛使用在電力系統等工業中,並成為教科書上的經典電路。
所以,從工作機理和GB/IEC/EN的標準定義中來看,這種Delta UPS實際上就是互動UPS:
互動UPS的特徵在於:
(1)逆變器或者電源接口的操作是為了調節輸出電壓和/或給蓄電池充電。
(2)UPS輸出頻率取決於交流輸入頻率。
對於特徵(1),Delta UPS的Delta變換器符合調節的特徵,其僅提供15%的能量給負載。
對於互動UPS的特徵(2),Delta UPS也完全符合:在Delta UPS正常工作狀態下,輸出頻率完全取決於輸入頻率,如果輸入頻率跳變(比如發電機輸入下,頻率從50.5Hz跳變到45Hz),則輸出頻率也跳變。
Delta UPS作為一種互動式UPS,相當於一臺串聯調控型的交流穩壓電源,它的主要功能是對市電進行穩壓處理,將原來不穩定普通市電電源變成電壓穩壓精度為380V+/-1%的交流穩壓電源。當市電超出工作範圍,電池逆變輸出,為負載提供電力供應。
但是,互動式UPS對於來自市電網的頻率波動、電壓諧波失真和傳導幹擾等無實質性改善。其控制原理與教科書中利用「伺服電機」來調節碳刷的位置來進行「電壓補償」的「全自動補償方式」交流穩壓電源的控制原理沒有實質性的變化。改進是採用高頻脈寬調製技術和利用雙向能量傳遞特性的「四象限」變換器(Detla變換器和主輸出變換器)來取代於產生機械磨損的伺服電機和碳刷調節系統。這就是為什麼這種UPS的輸入功率因數/整機效率等指標非常優異的原因。