摘 要:介紹了一種新型高頻開關(guān)電源式不間斷電源的構(gòu)成原理與優(yōu)點,它也代表了不間斷電源技術(shù)的發(fā)展方向。

③當(dāng)今技術(shù)相當(dāng)成熟的電力工業(yè),由于普遍采用了信息化管理、智能化供電的電網(wǎng)調(diào)度技術(shù),以及在市電系統(tǒng)中采用了ATS開關(guān),在雙路市電輸入電源之間自動切投調(diào)控操作的保護(hù)性設(shè)計方案,在市電輸入供電系統(tǒng)中,發(fā)生長時間停電故障的幾率很少,一般事故的停電時間為3～10s。

以上所述的三項技術(shù)成就,都為電腦開關(guān)電源式UPS的生成和實現(xiàn)UPS自主分散供電方式創(chuàng)造了條件。所謂自主分散供電方式,是指各個電腦只用專為自己生產(chǎn)配套的高頻開關(guān)式UPS,不與其他電腦共用一個UPS。

根據(jù)上述三項技術(shù)成就,就可以得到UPS改革的方法,這個方法其實很簡單,就是在如圖2所示的高頻開關(guān)電源的典型電路框圖中,設(shè)法在高頻整流器(PFC)與PWM高頻逆變器之間加入一組儲能鋰電池,就可以變成高頻開關(guān)電源式UPS,其電路框圖如圖7和圖8所示。

其中圖7所示為專用于分體式電腦的。圖8所示為專用于一體式電腦。因為一般現(xiàn)有的小容量鋰電池組的電壓都比較低,所以必須用Buck DC/DC變換器,使高頻整流器(PFC)的直流輸出電壓與鋰電池組的直流電壓相匹配,以利于鋰電池組充電。由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)、Buck變換器組成的電路,由于是高頻開關(guān)電源式UPS電路的一個組成部分,其作用主要是與后面的電路共同完成UPS功能,其次才是對鋰電池組充電,所以叫適配器,不叫充電器,一般把它制成獨立電器作為電腦的一個附件使用。

采用高頻開關(guān)電源式UPS,對電腦進(jìn)行自主分散式供電的電力系統(tǒng)如圖9所示,所謂高頻開關(guān)電源式UPS對電腦進(jìn)行自主分散式供電,是指 N 臺電腦采用自身專用的高頻開關(guān)電源式UPS,一對一的向電腦供電,都直接接到市電電源上進(jìn)行工作的一種供電方式。這種供電方式與圖4所示的集中供電方式比較有很多優(yōu)點。

5 高頻開關(guān)電源式UPS及其自主分散式供電的優(yōu)點

高頻開關(guān)電源式UPS,是在高頻開關(guān)電源電路中,加入了儲能鋰電池構(gòu)成的,因此這種UPS既具有UPS功能,也具有高頻開關(guān)電源的技術(shù)特點。把 N 臺用這種UPS一對一的自身供電的電腦再接入到市電電源上,就構(gòu)成了自主分散式供電方式。這種UPS及其自主分散式供電方式具有很多優(yōu)點:

(1)高頻開關(guān)電源式UPS的優(yōu)點

①利用已經(jīng)成熟的高頻開關(guān)電源技術(shù),可以采用價格低廉、開關(guān)速度快、損耗小、開關(guān)頻率

高的低壓MOSFET管作開關(guān),把ZVS或ZCS軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到UPS中,使UPS的開關(guān)頻率可以提高到40～100kHz以上,為UPS進(jìn)一步的高頻化創(chuàng)造了條件;

②由于這種UPS可以進(jìn)一步高頻化,所以更有利于把UPS的市電輸入功率因數(shù)提高到接近于1,可以更有利于把市電輸入電流的THDi減小到1%以下,使UPS對市電電源的諧波污染減小到接近于零;

③當(dāng)電腦工作時,高頻開關(guān)電源式UPS的負(fù)載率大致保持在100%不變,故對它的效率、市電輸入功率因數(shù)和市電輸入電流的THDi沒有影響,這就可以使高頻開關(guān)電源式UPS的工作效率保持在最高點運(yùn)行;

④現(xiàn)代電腦本身都具有市電斷電時保護(hù)電腦的數(shù)據(jù)及信息資料不丟失的功能,和不使電腦遭到破壞的保護(hù)功能,故對一般家用電腦或不重要場合應(yīng)用的電腦,可以不用UPS電源供電,只有對重要場合應(yīng)用的電腦,才用UPS供電。處于這種考慮,可以在電腦機(jī)盒上設(shè)置一個電池插座,把電池作為一個附件,對不需要UPS供電的用戶可以不提供電池,靈活方便;

⑤高頻開關(guān)電源式UPS的生產(chǎn)成本較低,只在高頻開關(guān)電源中多一組鋰電池,因此售價較低,一般小型用戶或家庭都買得起。而且這種UPS的體積小,裝在電腦機(jī)盒中就可以了,不必另行設(shè)置安裝空間;

⑥由于采用的是容量密度大、壽命長、無污染的鋰電池,故可以在任何環(huán)境條件下應(yīng)用,而且

也不需要進(jìn)行復(fù)雜的維護(hù)修理。

(2)高頻開關(guān)電源式UPS自主分散式供電的優(yōu)點

①因為電腦使用自身的專用高頻開關(guān)電源式UPS一對一供電,所以供電系統(tǒng)的效率就等于高頻開關(guān)電源式UPS的效率,而高頻開關(guān)電源式UPS的電能沒有重復(fù)或多余的變換,故效率較高。

②系統(tǒng)的負(fù)載率等于高頻開關(guān)電源UPS的負(fù)載率,其值接近100%,故系統(tǒng)的負(fù)載率對系統(tǒng)效

率、市電輸入功率因數(shù)和市電輸入電流的THDi都沒有影響。

③系統(tǒng)的可靠性等于高頻開關(guān)電源式UPS的可靠性,不再受集中供電UPS的影響,故可靠性比

圖4所示的集中供電方式要高,而且也不存在“零地電壓”問題。

④沒有了高頻與工頻機(jī)型UPS昂貴的投資和維護(hù)費。

⑤因為是用自身的專用高頻開關(guān)電源式UPS一對一的供電,故不會也不可能使電腦與不需要用UPS供電的其他用電設(shè)備混合接在UPS上供電的現(xiàn)象,使UPS的電能利用率為100%,使用方便。

⑥不存在也不可能存在多臺UPS冗余并聯(lián)供電的方式,故比圖4所示的集中供電方式的負(fù)載率要高。

⑦占地面積比集中供電方式小,沒有鉛酸蓄電池對環(huán)境的污染。

⑧每一臺高頻開關(guān)電源式UPS,都可以采用光能電池做為家用電腦的UPS應(yīng)用。光能電池,是一種用光能自動充電的電池,它是用鋁錳單晶硅為原料,利用航空技術(shù)瞬間把光能轉(zhuǎn)換成電能的一種自動充電電池。只需用太陽光照射兩小時或者用燈光照射三小時就可以把電池充滿,不用接市電電源充電,不腐蝕、不流液,可以反復(fù)充電80次左右。利用這種電池的UPS白天可以接市電電源上機(jī),在陽光下面邊充電邊上機(jī)十分節(jié)能環(huán)保。一旦市電斷電,電腦仍然可以工作,達(dá)到了UPS的效果。光能電池家用電腦用UPS電源的電路,是由圖8所示高頻開關(guān)電源式UPS電路的基礎(chǔ)上,把鋰電池?fù)Q成光能電池構(gòu)成的,如圖8的中部下方所示。

6 用互動式UPS來延長供電時間

對于某些企業(yè)、銀行、醫(yī)院、政府或科研部門,為了延長UPS的供電時間,可以選用電路簡單、成本低、效率高的互動式UPS,其電路如圖10所示。它是由一個三相半橋式逆變器構(gòu)成的、處于熱備用狀態(tài)的UPS。當(dāng)市電正常時,逆變器工作在整流狀態(tài)給蓄電池充電,UPS處于熱備用狀態(tài),負(fù)載由市電電源供電。當(dāng)市電中斷時,逆變器工作在逆變狀態(tài),由蓄電池放電繼續(xù)向負(fù)載供電,此時輸入開關(guān)自動斷開以防止UPS向市電反向饋電。

互動式UPS具有如下特點:

①三相半橋式逆變器接在輸出端,處于熱備用狀態(tài);

②輸出能力強(qiáng),電流峰值系數(shù)高,過載能力強(qiáng);

③市電輸入功率因數(shù)和輸入電流的THDi取決于負(fù)載;

④UPS的效率可以高達(dá)98%;

⑤由于輸入開關(guān)具有20～300ms的斷開時間,所以UPS的切換時間不等于零。對于具有高頻開關(guān)電源式UPS的電腦或一般電腦來說是沒有影響的。例如一般現(xiàn)代電腦也都有大于1秒的延滯關(guān)機(jī)保護(hù)時間,300ms的切換時間不會使電腦遭到破壞;

⑥電路簡單、成本低,供電可靠性高。

7 結(jié)束語

現(xiàn)代高頻UPS和平衡電感式24相自耦變壓器工頻整流器UPS(也包括多脈波自耦變壓整流和U d -PWM控制的工頻整流器UPS)被認(rèn)為是當(dāng)代UPS的發(fā)展方向。但仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn),這些高頻與工頻機(jī)型UPS的構(gòu)成本身和它們的供電方式都存在著很多缺點,如電能變換次數(shù)增加了一倍。開關(guān)損耗也成倍增加,運(yùn)行中負(fù)載率低也影響輸入功率因數(shù)與變換效率的提高,降低了供電的可靠性,使節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點不能充分發(fā)揮,需要專用的場所與專門的維護(hù)人員,價格貴、有污染等,故不是性能最好的UPS。

本文提出的采用高頻開關(guān)電源式UPS才是最好的UPS,采用高頻開關(guān)電源式UPS及其自主分散式供電方式,才是今后UPS的發(fā)展方向。這種供電方式,只是把電腦中的高頻開關(guān)電源進(jìn)行了簡單的改造:加入了一個Buck DC/DC變換器,一個鋰電池組,在電腦生產(chǎn)廠就可以完成。由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低、效率高、可靠性高、無污染、不需要專用場所與專用維護(hù)人員等優(yōu)點,所以一般小型用戶或家庭都買得起、用的起。使UPS的應(yīng)用得到了最大限度的普及,也使電腦的可靠工作得到了進(jìn)一步提高?？梢灶A(yù)計UPS的這個新思路是會得到廣大用戶歡迎的。再過幾年,一般沒有特殊要求的大多數(shù)用戶一定都會采用這種價格便宜、可靠性高、不需要專用場地、不需要維護(hù)、效率高、無污染、使用方便、可以自主分散式供電的高頻開關(guān)電源式UPS，不會再用工頻或高頻機(jī)型UPS了。

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