電腦采用UPS的原因是市電不是穩(wěn)定的,它存在著很多電能質(zhì)量問題,例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過電壓、電壓下陷、線路噪聲、頻率偏移、持續(xù)低電壓、供電中斷等。市電的這些質(zhì)量問題既可能引起電腦的鍵盤鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響,也可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)完全丟失或主板燒毀等較大的事故。而UPS可以提高市電質(zhì)量,使電腦與市電電源隔離,以消除*和市電中高壓尖脈沖與暫態(tài)過電壓的影響,當(dāng)市電停電時利用蓄電池可以向電腦提供一段時間的電能,保護(hù)電腦穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。因此電腦離不開UPS,UPS也離不開電腦。前期是電腦的應(yīng)用促使了UPS的誕生,后期是UPS的應(yīng)用又促使了電腦的普及與發(fā)展。

UPS有交流UPS和直流UPS兩種。從供電可靠性、安全性和運(yùn)行效率來說,直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點(diǎn),諸如電路簡單、所用器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、制造容易、維護(hù)方便等。但直流UPS也有一些缺點(diǎn),例如不能通過輸入變壓器向負(fù)載供電,不能提供交流電能,穩(wěn)壓和變壓困難,負(fù)載不能與市電隔離等。同時又由于歷史原因和傳統(tǒng)觀念的影響,當(dāng)前應(yīng)用較多的仍然是交流UPS。

1 當(dāng)前交流UPS的種類與典型電路框圖

2009年,在《UPS應(yīng)用》的組織發(fā)動下,進(jìn)行了一場工頻與高頻UPS的大辯論,結(jié)果是高頻UPS獲勝。工頻UPS失敗的原因是:SCR多相相控整流是一個時滯環(huán)節(jié),無法實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié),并會導(dǎo)致市電電網(wǎng)電壓畸變,對市電*大,輸入功率因數(shù)低、效率低、體積重量大,直流電壓調(diào)節(jié)為非線性,對市電電壓波動適應(yīng)能力差,不能數(shù)控等而被淘汰。此后,由于采用平衡電感24相自耦變壓工頻整流器和采用自耦變壓器的多相工頻整流與 U d -PWM控制的研制成功,使工頻UPS的性能完全趕上了高頻UPS,但是高頻UPS的開關(guān)損耗要大8～33倍[視高頻UPS的開關(guān)頻率(10～20)kHz,與工頻UPS整流器的相數(shù)(12～24相)而定],這又促使高頻UPS開關(guān)研制出了SPWM節(jié)能控制與軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用,而SPWM節(jié)能控制又促使高頻UPS的輸出逆變器采用了中性點(diǎn)形成變壓器NFT的應(yīng)用,把高頻UPS的開關(guān)損耗減小了50%以上。至此工頻與高頻UPS的性能已經(jīng)基本相同,并達(dá)到了相當(dāng)高的水平(市電輸入功率因數(shù)PF都達(dá)到了0.999,對市電電壓波動的適應(yīng)能力都達(dá)到了±30%,整機(jī)效率都達(dá)到了94%,體積重量兩者基本相同)。工頻與高頻UPS的典型電路框圖如圖1所示,其中圖(a)為高頻UPS的典型電路框圖，圖(b)為工頻UPS的典型電路框圖，圖(c)為高頻或工頻UPS采用節(jié)能控制時逆變器采用中性點(diǎn)形成變壓器NFT輸出的電路框圖。

隨著電腦應(yīng)用領(lǐng)域的增多,各個領(lǐng)域又都各有自己的特點(diǎn),因此對交流UPS的要求也各不相同,而作為公共設(shè)備的交流UPS則必須具備所有這些功能。同時,即使對同一個領(lǐng)域,由于不斷發(fā)展的需要,對UPS的要求也越來越多,這就使交流UPS的電路越來越復(fù)雜,所用器件越來越多、成本越來越高、維修保養(yǎng)越來越復(fù)雜、可靠性越來越差。

為了提高UPS的可靠性,又需要增多各種保護(hù)電路,或采用冗余并聯(lián)工作方式。這種滾雪球式的發(fā)展方式導(dǎo)致交流UPS的生產(chǎn)維護(hù)技術(shù)的難度和銷售價格指數(shù)增加,使一般中小型用戶難以承受,嚴(yán)重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。當(dāng)這種矛盾發(fā)展到一定程度時,必然會引發(fā)一場UPS的技術(shù)改革。

前面已經(jīng)說過,由于當(dāng)前交流UPS的性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平,同時電路的復(fù)雜程度,也已經(jīng)達(dá)到了極限,所以再想用UPS本身的技術(shù)提高其性能,例如減小損耗提高效率,已經(jīng)沒有多少空間了,必須另想出路,這個出路就是利用負(fù)載側(cè)電腦自身的高頻開關(guān)電源成UPS。

2 當(dāng)前電腦的性能與開關(guān)電源的典型電路框圖

當(dāng)前的電腦性能比20年前又有了顯著的提高,當(dāng)市電突然斷電時可以延緩關(guān)機(jī),使機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)和信息不再丟失,即使不用UPS,也不會使電腦遭到破壞。電腦的用電量也大大減少。箱式分體電腦的耗電量已經(jīng)降到了250～300W,筆記本式電腦與由筆記本演化出來的一體式電腦的耗電量只有120W。電腦中的直流電源已經(jīng)全部采用了高頻開關(guān)電源。高頻開關(guān)電源出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代,到70年代開始20kHz革命,90年代革命成功,這是直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史上的一個巨大的飛躍,到20世紀(jì)末開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成熟,并在電腦電源上得到了普遍應(yīng)用。電腦的供電型式也得到了進(jìn)步,例如筆記本電腦,采用了內(nèi)部鋰電池與外部適配器聯(lián)合供電方式,形成了一個簡單有效的單體機(jī)UPS供電方式。這就為本文前面提出的利用電腦自身的高頻開關(guān)電源制成UPS創(chuàng)造了條件。

為了減小低壓大電流時線路壓降、減小電源故障的影響范圍,提高供電的可靠性,一般在小型電腦中都采用了高頻開關(guān)電源,具體電路可能不完全相同,但其基本結(jié)構(gòu)與組成是大致一樣的,其典型電路框圖如圖2所示。它主要由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)和電容平滑濾波器三種電路組成的市電側(cè)整流濾波器,以及由PWM高頻逆變器、高頻穩(wěn)壓隔離變壓器、高頻整流器、高頻濾波及控制電路組成的高頻DC/DC變換器兩大部分組成的,輸出低壓直流電壓為± U 01 =±12V;± U 02 =±5V;± U 03 =±3V,供電腦內(nèi)部電路使用。允許輸入市電電壓的變化范圍為165～270V,輸出電壓的穩(wěn)定度為0.6%～1%。同時由圖2也可以看出,高頻開關(guān)電源的電能變換程式與圖1所示的工頻與高頻交流UPS是基本相同的,這也為用高頻開關(guān)電源制成UPS的新思路打下了基礎(chǔ)。

3 交流UPS的供電方式及存在的缺點(diǎn)

交流UPS包括工頻UPS與高頻UPS兩種機(jī)型,用市電對電腦供電的典型方式多采用集中供電方式。以圖3所示的高頻UPS為例,用圖1及圖2可以畫出它的集中供電方式如圖4所示。仔細(xì)地對這種集中供電方式進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),它存在有很多的缺點(diǎn):

①前面已經(jīng)說過,高頻開關(guān)電源對電能的變換方式與高頻UPS對電能的變換方式是相同的,因此這種UPS集中供電方式使電能的變換次數(shù)增多了一倍,所以滿載開關(guān)損耗也增加了一倍,使整個供電系統(tǒng)的效率下降。同時還需要專用的場地與專人進(jìn)行維護(hù)。假定高頻UPS的效率為 η UPS ，高頻開關(guān)電源的效率為 η S ，則整個供電系統(tǒng)的效率為η ,則

η = η UPS · η S

②增大了對市電電源的污染和*,假定高頻UPS的污染和*為d UPS ,開關(guān)電源的污染和*為d S ,則整個系統(tǒng)的污染和*為d,則

d=d UPS ·d S

③可以使系統(tǒng)的負(fù)載減小,假定高頻UPS的負(fù)載率為a UPS ,高頻開關(guān)電源的負(fù)載率為a S ,則整個供電系統(tǒng)的負(fù)載率為a,則

a=a UPS ·a S

系統(tǒng)負(fù)載率的減小可以使供電系統(tǒng)的效率下降,如圖5所示,也可以是市電輸入電流的THDi增大,如圖6所示,因此對市電的污染程度也增大了。

④使供電系統(tǒng)的可靠性下降,假定高頻UPS的可靠性為b UPS ,高頻開關(guān)電源的可靠性為b S ,則整個供電系統(tǒng)的可靠性為b,則

b=b UPS ·b S

⑤使供電系統(tǒng)的投資費(fèi)和維修費(fèi)增大,假定高頻UPS的投資費(fèi)和維修費(fèi)為c UPS ,高頻開關(guān)電源的投資費(fèi)和維修費(fèi)為c S ,則整個供電系統(tǒng)的投資費(fèi)和維修費(fèi)為c,則

c=c UPS ·c S

⑥使用不方便,不利于供電系統(tǒng)的配電安裝。

因?yàn)檎嬲枰肬PS供電的電氣設(shè)備如電腦等,所占的比例不太多,而不需要UPS供電的電氣設(shè)備所占的比例卻很多。如果把這些設(shè)備混合用UPS集中供電,將會造成投資浪費(fèi),如果把兩者分開,分別用UPS與市電供電,將會使配電安裝困難,使用也很不方便。

⑦一旦高頻UPS出問題或進(jìn)行維修,所有電氣設(shè)備就得不到UPS供電,同時集中供電還存在“零地電壓”問題。

⑧為了增大供電系統(tǒng)的可靠性,又要采用多臺UPS冗余并聯(lián)供電,這樣雖然增加了可靠性,但也增加了投資,降低了負(fù)載率,增加了運(yùn)行損耗,降低了效率,很不經(jīng)濟(jì)。

⑨占地面積大,鉛酸蓄電池也對環(huán)境有污染。

⑩高頻UPS的開關(guān)頻率目前只能達(dá)到20kHz,進(jìn)一步高頻化甚為困難。

當(dāng)前大功率高頻UPS尚不便采用容量密度高、單位體積電壓高、不含鎘、鉛、汞,沒有污染的鋰電池。

前面已經(jīng)說過,當(dāng)前大功率交流UPS隨著應(yīng)用領(lǐng)域的增多,使用性能的擴(kuò)展和必備功能的增多,使電路越來越復(fù)雜,售價越來越高,同時它的這種集中供電方式又存在著較多的缺點(diǎn),因此必然會引起一場希望改變這種現(xiàn)狀的UPS改革,并找出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、使用靈活方便的UPS供電方式。

4 UPS的改革與自主分散供電方式

UPS改革的目的有兩個:一是把UPS的功能從交流UPS移到電腦的高頻開關(guān)電源上;二是將傳統(tǒng)的UPS集中供電方式改變成自主分散供電方式。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)這兩個改革目標(biāo)的依據(jù),是基于以下三項(xiàng)技術(shù)成就:

①當(dāng)前電腦用的高頻開關(guān)電源電路,已經(jīng)具備了除不能實(shí)現(xiàn)當(dāng)市電中斷時可以獨(dú)立地繼續(xù)向電腦進(jìn)行直流供電的功能之外(因?yàn)樵诟哳l開關(guān)電源中,沒有接入儲能蓄電池組),已具備了UPS的所有功能。例如用圖2所示的由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)、PWM高頻逆變器、高頻變壓器和高頻整流器組成的高頻開關(guān)電源的電路框圖,與圖3所示的高頻UPS電路進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn),它們的電路組成、電能變換流程和變換方式是完全相同的,因此它們所具有的相應(yīng)功能也是相同的。即電腦中的高頻開關(guān)電源也具備了UPS的功能。只要在高頻整流器(PFC)與PWM高頻逆變器之間接入一組儲能蓄電池,就可以構(gòu)成一個性能優(yōu)良的高頻UPS。

②由于當(dāng)前電腦性能的提高和技術(shù)的進(jìn)步,用電量大大降低,例如一體式電腦的耗電量已經(jīng)降到120W,因此電腦的高頻開關(guān)電源式UPS,可以采用容量密度高、單位體積電壓高、不含鎘、鉛、汞,污染小、壽命長、不需要維護(hù)的鋰離子電池。(未完待續(xù))

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