科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標(biāo)機(jī)內(nèi)置電池

科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標(biāo)機(jī)內(nèi)置電池

• UPS領(lǐng)域內(nèi)近年來(lái)一直爭(zhēng)論不休的一個(gè)問(wèn)題:靜止變換式UPS和飛輪儲(chǔ)能式UPS,哪種模式更適用于數(shù)據(jù)中心?

• 1 概述
  　　
  　　UPS領(lǐng)域內(nèi)近年來(lái)一直爭(zhēng)論不休的一個(gè)問(wèn)題:靜止變換式UPS和飛輪儲(chǔ)能式UPS,哪種模式更適用于數(shù)據(jù)中心?
  　　
  　　在飛輪儲(chǔ)能式中的慣量方程式為
  　　
  　　
  　　
  　　式中:J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量,ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。
  　　
  　　可以在停電后利用飛輪的慣性儲(chǔ)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)繼續(xù)向計(jì)算機(jī)供電5s,以滿足將當(dāng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果放入內(nèi)存。于是就形成了在電動(dòng)發(fā)電機(jī)同軸上加裝飛輪的方案。在1967年我國(guó)為一研究所進(jìn)口了一臺(tái)“1900”計(jì)算機(jī),配套的供電設(shè)備就是一臺(tái)20kVA容量的UPS,如圖1所示。這就是第一代UPS(Uninterruptible Power Supply)。所以UPS的問(wèn)世就是為了保護(hù)計(jì)算機(jī)的程序不被破壞,因此UPS又有計(jì)算機(jī)孿生兄弟的美稱。令人遺憾的是由于飛輪地轉(zhuǎn)速太慢，只有1500r/min(頻率為50Hz時(shí))1800r/min(頻率為60Hz時(shí))，所以需要飛輪的重量要非常大。如圖1所示，20kVA就需要配5T的飛輪，那么400kVA就要配100T的巨大飛輪，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的，而且為了這區(qū)區(qū)5s更是令人乍舌。
  　　
  　　幸好的是上個(gè)60年代可控硅(晶閘管)整流器問(wèn)世了,這種半控器件可以調(diào)整輸出電壓的高低。于是專家們就以此推出了可以延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)在市電停電后的供電時(shí)間。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。可控硅整流器輸出電壓給電池組充電和驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī),以此帶動(dòng)同軸上的同步交流發(fā)電機(jī)為計(jì)算機(jī)供電,市電停電時(shí)蓄電池組就可繼續(xù)維持直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn),使發(fā)電機(jī)不間斷地向計(jì)算機(jī)供電。通過(guò)適當(dāng)配置蓄電池組的容量就可以滿足計(jì)算機(jī)各種后備時(shí)段的要求。隨著可控硅整流器產(chǎn)品的進(jìn)一步成熟,UPS制造商又推出了可控硅逆變器,代替了笨重的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。然而由于逆變電路是全橋結(jié)構(gòu)所以輸出的三根線都是火線,而用戶實(shí)際用的是具有零線的三相四線制電壓,必須加一個(gè)“Δ-Y”變壓器才能投入使用。所以工頻機(jī)UPS中的輸出隔離變壓器就是為了這個(gè)目的而加入的。時(shí)至今日這只“Δ-Y”變壓器還牢牢地存在于工頻機(jī)UPS體內(nèi)。此外,由于工頻機(jī)UPS工作在工業(yè)頻率又有輸出變壓器,所以效率不足90%,六脈沖控制的可控硅整流器又是破壞電網(wǎng)波形的天然殺手,又必須加裝諧波濾波器更導(dǎo)致效率下降。
  　　
  　　無(wú)論如何,從此靜態(tài)UPS和動(dòng)態(tài)UPS開(kāi)始分為兩支,各自按照自己的方向謀求發(fā)展。
  　　
  　　2  當(dāng)今UPS的分類
  　　
  　　目前,UPS供電系統(tǒng)分為兩大類:動(dòng)態(tài)(飛輪出能式)UPS和靜態(tài)(靜止變換式)UPS,如圖3所示。動(dòng)態(tài)UPS又分為接觸軸承式和磁懸浮式。靜態(tài)UPS又分為工頻機(jī)UPS和高頻機(jī)UPS:高頻機(jī)UPS旗下又分為傳統(tǒng)變換式(還包括再現(xiàn)互動(dòng)式和三端口等)、Delta變換式和“高壓直流”UPS。對(duì)靜態(tài)UPS再此不作介紹。
  　　
  　　3 飛輪儲(chǔ)能式動(dòng)態(tài)UPS
  　　
  　　本來(lái)動(dòng)態(tài)UPS是首先接受計(jì)算機(jī)需要的建議而率先問(wèn)世的,結(jié)果在以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)中心讓靜態(tài)UPS搶了風(fēng)頭。其原因是飛輪的轉(zhuǎn)速仍未脫出1500～1800r/min的范疇,設(shè)備的體積很大并且噪聲也令人難以接受,這種動(dòng)態(tài)UPS只能用在不怕干擾的工業(yè)環(huán)境和空曠的地方。
  　　
  　　其實(shí)動(dòng)態(tài)UPS有著很多鮮為人知的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),在國(guó)內(nèi)外的數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體芯片制造業(yè)、某些特種軍用通信系統(tǒng)及政府的機(jī)要部門正日益關(guān)注和選用,其優(yōu)點(diǎn)為:
  　　
  　?、俑M(jìn)一步地提高UPS的效率。相關(guān)的資料顯示,可將UPS的效率從工頻機(jī)靜態(tài)UPS的90%左右提高到飛輪UPS的98%;
  　　
  　?、诳蓪⒐收下拭黠@偏高的蓄電池部件從UPS中徹底取消。不僅有助于提高UPS的可靠性,還可以大幅度地減少電源值班人員的維修工作量;
  　　
  　?、塾捎趧?dòng)態(tài)UPS主要是金屬結(jié)構(gòu),相對(duì)于靜態(tài)UPS而言不太受溫度環(huán)境的影響?？煽啃悦黠@提高;
  　　
  　?、芫S護(hù)周期長(zhǎng),壽命長(zhǎng)。減輕了維護(hù)人員的工作量。
  　　
  　　對(duì)于這種飛輪動(dòng)態(tài)UPS而言,當(dāng)市電供電正常時(shí),它在利用市電向用戶供電的同時(shí),還將部分電能同時(shí)通過(guò)具有電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)調(diào)控功能的“同步補(bǔ)償機(jī)(G/M)”裝置而以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存在其巨大的飛輪中。
  　　
  　　此時(shí),對(duì)于其“同步補(bǔ)償機(jī)(G/M)”裝置而言,不僅承擔(dān)著短時(shí)效的能量轉(zhuǎn)換調(diào)控功能,將來(lái)自市電的電能變換成儲(chǔ)存在飛輪中的機(jī)械能。而且,它還承擔(dān)著自動(dòng)穩(wěn)壓以及對(duì)可能來(lái)自市電電網(wǎng)和用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波電流執(zhí)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)控功能,就是將輸出電流的諧波含量THDI值實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)到趨于零。當(dāng)市電供電中斷時(shí),它可以利用原來(lái)儲(chǔ)存其飛輪中的巨大動(dòng)能的慣性驅(qū)動(dòng)同步補(bǔ)償機(jī)(G/M)裝置繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí))裝置將自動(dòng)承擔(dān)著發(fā)電機(jī)的調(diào)控功能,從而確保對(duì)各種用電設(shè)備的連續(xù)不間斷地供電。能夠?qū)w輪UPS推向新的實(shí)用階段的推動(dòng)因素有:
  　　
  　?、賹?duì)于當(dāng)今的技術(shù)相當(dāng)成熟的電力工業(yè)而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供電的電網(wǎng)調(diào)度技術(shù),以及在用戶的供電系統(tǒng)中采用ATS開(kāi)關(guān)在雙路市電輸入電源之間自動(dòng)執(zhí)行“切投調(diào)控”操作保護(hù)性的設(shè)計(jì)方案,在市電輸入供電系統(tǒng)中,發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的停電事故的幾率是極低的。這樣一來(lái),就為依靠動(dòng)能型的慣性能量來(lái)確保負(fù)載的連續(xù)供電的飛輪UPS得到實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造出極為有利的運(yùn)行條件。
  　　
  　　根據(jù)美國(guó)Electric Power Research Institute對(duì)美國(guó)供電電網(wǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn),90%以上停電事故的持續(xù)期一般小于10s;根據(jù)RWE公司對(duì)歐洲9個(gè)國(guó)家的126個(gè)供電電網(wǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn):95%以上的停電事故的持續(xù)期一般小于3s。
  　　
  　　對(duì)于在兩路市電輸入電源之間采用ATS開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換調(diào)控技術(shù)的用戶設(shè)備而言,當(dāng)其優(yōu)先供電的輸入電源發(fā)生停電事故時(shí),其另一路備用電源可在小于1～3s的時(shí)間間隔內(nèi)恢復(fù)向用電設(shè)備供電。
  　　
  　　理論上講,ATS開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致輸入電源出現(xiàn)幾十到上百毫秒的供電中斷,這是因?yàn)锳TS開(kāi)關(guān)的典型切換時(shí)間為≤200ms左右。導(dǎo)致ATS開(kāi)關(guān)的總切換時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)幾秒的原因是:為了防止因市電電網(wǎng)發(fā)生偶發(fā)性閃斷而導(dǎo)致ATS開(kāi)關(guān)在兩路市電電源之間執(zhí)行不必要地、頻繁地誤切換動(dòng)作,從而導(dǎo)致在用電設(shè)備的輸入端產(chǎn)生令人厭煩的尖峰型電源干擾從而導(dǎo)致ATS開(kāi)關(guān)使用壽命縮短。為此,有必要人為地為ATS開(kāi)關(guān)設(shè)置適當(dāng)延時(shí)切換保護(hù)功能。所以,對(duì)于具備有“雙總線輸入”供電條件的用戶而言,是可以通過(guò)選用飛輪UPS的技術(shù)途徑來(lái)省去配置體積龐大、故障率偏高和維護(hù)量偏大的蓄電池組。
  　　
  　　,既然在供電電網(wǎng)中,發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間停電故障的幾率是極低的。這樣一來(lái),就為能充分發(fā)揮出飛輪UPS對(duì)可能來(lái)自市電電網(wǎng)的瞬態(tài)電壓波動(dòng)、閃斷、瞬態(tài)干擾、諧波電流執(zhí)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償型調(diào)控功能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)奠定下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
  　　
  　?、谂c傳統(tǒng)雙變換在線式的靜態(tài)UPS相比,飛輪UPS具有如下明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),如表1所示為目前動(dòng)態(tài)UPS和靜態(tài)UPS的大概對(duì)比。而且動(dòng)態(tài)UPS在整機(jī)效率、輸入功率因數(shù)、負(fù)載功率因數(shù)、允許的工作溫度范圍、無(wú)需電池組的維護(hù)和可靠性高等技術(shù)性能上均明顯地優(yōu)于雙變換在線式的靜態(tài)UPS。在此需要說(shuō)明的是,對(duì)于飛輪UPS供電系統(tǒng)而言,其平均整體效率要比工頻機(jī)靜態(tài)UPS的效率高4%～5%。來(lái)自美國(guó)ActivePower公司的真空磁懸浮飛輪UPS能效甚至可提高6%。這對(duì)于當(dāng)今能源價(jià)格增幅較大的背景下,其節(jié)能降耗和綠化環(huán)保的效應(yīng)尤為明顯。采用飛輪儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)UPS可以更加節(jié)能的另一個(gè)原因是:由于它自帶有風(fēng)冷電扇及無(wú)需配置要求環(huán)境溫度小于25℃的電池組。
  　　
  　　因而,再也無(wú)需為UPS機(jī)房配置具有高耗運(yùn)行特性的空調(diào)機(jī)組。但應(yīng)說(shuō)明的是,仍需為它配置必要的熱風(fēng)排除系統(tǒng)。
  　　
  　　正因?yàn)閯?dòng)態(tài)UPS有著這些特點(diǎn),飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)也在不斷發(fā)展。好多公司都在作著這方面的努力。比如荷蘭的動(dòng)態(tài)UPS飛輪的速度開(kāi)始提高,打破了低速旋轉(zhuǎn)飛輪的僵局。如圖4所示就是該國(guó)公司推出的一種Hitec飛輪儲(chǔ)能式動(dòng)態(tài)UPS,圖5是160kVA的原理結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、感應(yīng)耦合器和同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成。圖5表示的是UPS在市電模式下的工作情況。當(dāng)市電正常供電時(shí)輸入斷路器Q1和輸出斷路器Q2閉合,市電經(jīng)過(guò)Q1、電感L和Q2向負(fù)載供電,這時(shí)同步發(fā)電機(jī)G作同步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)呈電容性,正好和電感L構(gòu)成LC濾波器,使輸出電壓清潔無(wú)干擾。
  　　
  　　此時(shí)由于斷路器也在閉合,市電電壓驅(qū)動(dòng)感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子1500r/min(市電為50Hz時(shí))～1800r/mi(市電為60Hz時(shí))運(yùn)轉(zhuǎn),這時(shí)整流器Z將整流的直流電壓送入感應(yīng)耦合器中的直流勵(lì)磁繞組勵(lì)磁來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子相對(duì)于外轉(zhuǎn)子1500r/min作4500r/min旋轉(zhuǎn),于是內(nèi)轉(zhuǎn)子對(duì)外的**轉(zhuǎn)速就達(dá)到了6000r/min。這樣一來(lái)160kVA的飛輪重量才1700(lb),大約772kg。這比起50kVA/5000kg來(lái)重量不足原來(lái)的四十分之一,這是多么大的進(jìn)步!其中斷路器Q3和靜態(tài)UPS一樣,是維修旁路開(kāi)關(guān)。在這種工作狀態(tài)下離合器是分離的,燃油發(fā)電機(jī)處于熄火狀態(tài)。
  　　
  　　當(dāng)市電停電時(shí),UPS的同步發(fā)電機(jī)馬上轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài),繼續(xù)向負(fù)載不間斷地供電。同時(shí)斷開(kāi)Q1和Q4,這時(shí)感應(yīng)耦合器中的飛輪帶動(dòng)同軸的同步發(fā)電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn),燃油發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)很快就達(dá)到了額定轉(zhuǎn)數(shù),感應(yīng)耦合器中的飛輪由于放出能量轉(zhuǎn)速逐步降低,當(dāng)降低到與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)同步時(shí)離合器嚙合,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始接替儲(chǔ)能飛輪的工作。一直到市電恢復(fù)或需要停機(jī)時(shí)為止,如圖6所示。
  　　
  　　動(dòng)態(tài)UPS使用受阻還有一個(gè)原因,那就是飛輪科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標(biāo)機(jī)內(nèi)置電池儲(chǔ)能的時(shí)間太短,只有15s。這和幾十分鐘(>1000s)配備電池組的靜態(tài)UPS比起來(lái),在時(shí)間上有天淵之別。也就是說(shuō)和人們習(xí)慣認(rèn)定的時(shí)間相差甚遠(yuǎn),使用戶望之卻步。因此有的UPS制造商又在這方面開(kāi)動(dòng)腦筋。推出后備時(shí)間更長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)UPS。圖7就是德國(guó)PILLER公司推出的一款利用油機(jī)作為后備的長(zhǎng)延時(shí)動(dòng)態(tài)UPS。這個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由三部分組成,Q1第一路是市電經(jīng)電感濾波后送入AC/AC穩(wěn)壓器,再過(guò)作電動(dòng)機(jī)旋傳的同步補(bǔ)償發(fā)電機(jī)(G/M)給重要負(fù)載供電;同時(shí)內(nèi)部的儲(chǔ)能飛輪作飛速旋轉(zhuǎn),開(kāi)始除能;第二路是Q4,這一路是一般的常用UPS結(jié)構(gòu),它的作用是對(duì)第一路的輸出電壓進(jìn)行功率補(bǔ)償;第三路Q6,在正常情況下開(kāi)始首連負(fù)載由市電直接供電,當(dāng)?shù)谝缓偷诙份敵鰧?shí)現(xiàn)與市電同步鎖相后斷路器Q5閉合。當(dāng)市電斷電或異常時(shí)Q1、Q4、Q5和Q6斷開(kāi),同步補(bǔ)償發(fā)電機(jī)(G/M)在儲(chǔ)能飛輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)為同步發(fā)電機(jī)。另外一路Q2是眾所周知的自動(dòng)旁路,一旦系統(tǒng)過(guò)載或主機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題,負(fù)載就被直接接通市電。
  　　
  　　如前面所述,目前一般動(dòng)態(tài)UPS飛輪給出的后備時(shí)間大都在15s左右,換言之,后備發(fā)動(dòng)機(jī)必須在這個(gè)時(shí)間之內(nèi)接替飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的工作。因此,就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題,即為了抓緊時(shí)間起動(dòng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī),只要市電電壓超出設(shè)定范圍,即使這個(gè)時(shí)間很短發(fā)動(dòng)機(jī)也必須馬上啟動(dòng),也就是說(shuō)市電電壓超限和油機(jī)起動(dòng)之間不允許有一點(diǎn)時(shí)間間隔,怕的是啟動(dòng)時(shí)間不夠。這在很多情況下就導(dǎo)致了誤動(dòng)作。
  　　
  　　比如在雷雨天氣雷電頻頻造成電網(wǎng)瞬時(shí)的超限波動(dòng),那么燃油發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)頻繁起動(dòng)和關(guān)機(jī),這就極大地?fù)p害了機(jī)器的轉(zhuǎn)動(dòng)部件,縮短了機(jī)器的壽命。為此,PILLER又推出了延長(zhǎng)飛輪儲(chǔ)能時(shí)間的方案,如圖8所示。
  　　
  　　圖8(a)所示為PILLER延長(zhǎng)飛輪科華技術(shù)UPS電源YTR1101 標(biāo)機(jī)內(nèi)置電池儲(chǔ)能時(shí)間的電池方案。當(dāng)市電斷電后可控硅變流器開(kāi)始將電池組的直流電變換成和市電電壓相同的值,繼續(xù)驅(qū)動(dòng)飛輪不減速旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)同軸上的發(fā)電機(jī)繼續(xù)供電,當(dāng)電池能量達(dá)到下限值時(shí),飛輪才開(kāi)始釋放能量作減速運(yùn)轉(zhuǎn),一直到燃油發(fā)動(dòng)機(jī)接替它的工作。
  　　
  　　圖8(a)所示電池增時(shí)模式下所增加后備時(shí)間的長(zhǎng)短由所選電池容量的大小來(lái)決定,圖8(b)所示是另一種用附加飛輪延長(zhǎng)后備時(shí)間的方案。在這里M/G也是電動(dòng)發(fā)電機(jī)設(shè)備,市電正常供電時(shí)M/G作同步電動(dòng)機(jī)模式旋轉(zhuǎn),市電電壓異常時(shí)馬上轉(zhuǎn)為直流發(fā)電機(jī)模式,經(jīng)可控硅變流器開(kāi)始將直流電變換成和市電電壓相同的值,繼續(xù)驅(qū)動(dòng)飛輪不減速旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)同軸上的發(fā)電機(jī)繼續(xù)供電,當(dāng)直流電機(jī)儲(chǔ)能達(dá)到下限值時(shí),飛輪才開(kāi)始釋放能量作減速運(yùn)轉(zhuǎn),一直到燃油發(fā)動(dòng)機(jī)接替它的工作。圖8(b)所示飛輪電機(jī)增時(shí)模式下所增加后備時(shí)間的長(zhǎng)短由所選飛輪電機(jī)的大小來(lái)決定。但考慮到各方面的原因所限此二者都不會(huì)取得太大。
  　　
  　　圖9(a)給出了PILLERDUPS市電故障模式。當(dāng)市電異常時(shí)通往關(guān)鍵負(fù)載(CRITICAL LOAD)和重要負(fù)載(ESSENTIAL LOAD)的輸入斷路器Q1和Q4斷開(kāi),Q3閉合,通過(guò)飛輪的延時(shí)轉(zhuǎn)換切換到油機(jī)模式由后備發(fā)電機(jī)向關(guān)鍵負(fù)載與重要負(fù)載供電;當(dāng)市電恢復(fù)后如圖9(b)所示,輸入斷路器Q1和Q4閉合,Q3斷開(kāi),重新進(jìn)入市電模式。

  

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