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,也可能導致數據完全丟失或主板燒毀等較大的事故,。而UPS可以提高市電質量,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,保護電腦穩(wěn)定可靠地運行。因此電腦離不開UPS,UPS也離不開電腦,。前期是電腦的應用促使了UPS的誕生,后期是UPS的應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,、安全性和運行效率來說,直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點,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,、維護方便等。但直流UPS也有一些缺點,例如不能通過輸入變壓器向負載供電,不能提供交流電能,穩(wěn)壓和變壓困難,負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,當前應用較多的仍然是交流UPS,。

1 當前交流UPS的種類與典型電路框圖

2009年,在《UPS應用》的組織發(fā)動下,進行了一場工頻與高頻UPS的大辯論,結果是高頻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),無法實現輸出電壓的快速調節(jié),并會導致市電電網電壓畸變,對市電*大,輸入功率因數低,、效率低,、體積重量大,直流電壓調節(jié)為非線性,對市電電壓波動適應能力差,不能數控等而被淘汰。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的開關損耗要大8～33倍[視高頻UPS的開關頻率(10～20)kHz,與工頻UPS整流器的相數(12～24相)而定],這又促使高頻UPS開關研制出了SPWM節(jié)能控制與軟開關技術的應用,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形成變壓器NFT的應用,把高頻UPS的開關損耗減小了50%以上,。至此工頻與高頻UPS的性能已經基本相同,并達到了相當高的水平(市電輸入功率因數PF都達到了0.999,對市電電壓波動的適應能力都達到了±30%,整機效率都達到了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形成變壓器NFT輸出的電路框圖,。

隨著電腦應用領域的增多,各個領域又都各有自己的特點,因此對交流UPS的要求也各不相同,而作為公共設備的交流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的電路越來越復雜,所用器件越來越多,、成本越來越高,、維修保養(yǎng)越來越復雜、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)展方式導致交流UPS的生產維護技術的難度和銷售價格指數增加,使一般中小型用戶難以承受,嚴重影響了交流UPS的進一步推廣應用。當這種矛盾發(fā)展到一定程度時,必然會引發(fā)一場UPS的技術改革,。

前面已經說過,由于當前交流UPS的性能指標已經達到了相當高的水平,同時電路的復雜程度,也已經達到了極限,所以再想用UPS本身的技術提高其性能,例如減小損耗提高效率,已經沒有多少空間了,必須另想出路,這個出路就是利用負載側電腦自身的高頻開關電源成UPS,。

2 當前電腦的性能與開關電源的典型電路框圖

當前的電腦性能比20年前又有了顯著的提高,當市電突然斷電時可以延緩關機,使機內的數據和信息不再丟失,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全部采用了高頻開關電源,。高頻開關電源出現于20世紀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世紀末開關電源技術已經成熟,并在電腦電源上得到了普遍應用。電腦的供電型式也得到了進步,例如筆記本電腦,采用了內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電源,具體電路可能不完全相同,但其基本結構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,這也為用高頻開關電源制成UPS的新思路打下了基礎,。

3 交流UPS的供電方式及存在的缺點

交流UPS包括工頻UPS與高頻UPS兩種機型,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,。仔細地對這種集中供電方式進行分析可以發(fā)現,它存在有很多的缺點:

①前面已經說過,高頻開關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增多了一倍,所以滿載開關損耗也增加了一倍,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行維護。假定高頻UPS的效率為 η UPS ,，高頻開關電源的效率為 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)的負載減小,假定高頻UPS的負載率為a UPS ,高頻開關電源的負載率為a S ,則整個供電系統(tǒng)的負載率為a,則

a=a UPS ·a S

系統(tǒng)負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)的投資費和維修費增大,假定高頻UPS的投資費和維修費為c UPS ,高頻開關電源的投資費和維修費為c S ,則整個供電系統(tǒng)的投資費和維修費為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,。

因為真正需要用UPS供電的電氣設備如電腦等,所占的比例不太多,而不需要UPS供電的電氣設備所占的比例卻很多,。如果把這些設備混合用UPS集中供電,將會造成投資浪費,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出問題或進行維修,所有電氣設備就得不到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,降低了負載率,增加了運行損耗,降低了效率,很不經濟,。

⑨占地面積大,鉛酸蓄電池也對環(huán)境有污染。

⑩高頻UPS的開關頻率目前只能達到20kHz,進一步高頻化甚為困難,。

當前大功率高頻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。

前面已經說過,當前大功率交流UPS隨著應用領域的增多,使用性能的擴展和必備功能的增多,使電路越來越復雜,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,因此必然會引起一場希望改變這種現狀的UPS改革,并找出一種經濟實惠,、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。

當前實現這兩個改革目標的依據,是基于以下三項技術成就:

①當前電腦用的高頻開關電源電路,已經具備了除不能實現當市電中斷時可以獨立地繼續(xù)向電腦進行直流供電的功能之外(因為在高頻開關電源中,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電源的電路框圖,與圖3所示的高頻UPS電路進行比較可以發(fā)現,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功能也是相同的,。即電腦中的高頻開關電源也具備了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,就可以構成一個性能優(yōu)良的高頻UPS,。

②由于當前電腦性能的提高和技術的進步,用電量大大降低,例如一體式電腦的耗電量已經降到120W,因此電腦的高頻開關電源式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,、不需要維護的鋰離子電池。(未完待續(xù))

• 上一篇：數據中心怎么布線
• 下一篇：UPS新思路與高頻開關電源式UPS (下)
  
• 文章標簽： 開關電源 思路
• 注：原創(chuàng)內容,，禁止轉載,，如有轉載，請標明出處,。如有內容侵犯您的權益,，請聯(lián)系刪除！QQ:315212307