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山特UPS电源MT1000供应商

UPS电源的发展趋势

   （1）优越的功率因数指标

    UPS电源有两个功率因数：输入功率因数和输出功率因数，输入功率因数表示UPS电源对市电有功功率吸收的能力及对市电影响的程度，输出功率因数表示UPS电源适应负载性质的能力。

    1）UPS电源输入功率因数

    输入功率因数是一个重要指标。提高此项指标不仅可以降低线路损耗，节约电能，消除火灾隐患，还可以减少对市电的谐波污染，提高市电的供电质量，获得较大的经济效益及社会效益。传统提高输入功率因数的方法为无源功率因数校正技术，而现在发展为：单相市电输入的UPS电源采用有源功率因数校正技术，三相市电输入的UPS电源采用SPWM高频整流来提高UPS电源输入功率因数。较理想的输入功率因数是1，表明输入电压和电流均为正弦波时其相位完全相同。

    2）UPS电源输出功率因数

    输出功率因数是适应不同性质负载的能力。就是说小功率因数包含有大功率因数的特点，而大功率因数就办不了小功率因数的事。较理想的输出功率因数是**前0.0～滞后0.0,这时说明它可以带任何性质的负载。

    （2）高可靠性的“冗余式”UPS电源供电系统

    对于某些重要的用户而言，他们要求UPS电源供电系统的故障率非常低，较好其故障率为零。例如：银行的结算中心，航空管理系统，大规模集成电路流水生产线等。就目前的UPS电源制造技术和工艺水平而言，已可使UPS电源的故障率大大降低。例如：中、小型UPS电源平均无故障工作时间（MTBF）已做到5～14万小时，对大型UPS电源而言，它的MTBF可达24万小时以上。然而，即使对于这样高质量的系统，也不能确保它的故障率为零。在UPS电源中可采用具有容错功能的冗余配置方案来解决这个问题。所谓“容错”特性，是指在整个UPS电源供电系统中，如果因故造成个别机器出故障时，该UPS电源供电系统自动将有故障的机器“脱机”进行检修的同时，整个UPS电源供电系统必须继续向用户提供22高质量电源。由于在冗余式UPS电源供电系统中，采用了多台UPS电源组合起来共同承担向负载供电的任务，因此如何正确地解决好多台UPS电源输出的交流电源以同频率、同相位和同幅度的方式运行是能否成功地实现多台UPS电源冗余供电的关键。就目前所掌握的资料来看，有如下几种冗余配置方案可供用户选择：

    1）主机－从机型的“热备份”UPS电源供电方式；
    2）直接并联供电方式；
    3）双总线冗余供电方式。

    （3）全数字化UPS电源

    传统UPS电源存在的问题：

    1）输入输出变压器尺寸大；
    2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大；
    3)变压器和电感器产生的音频噪声较大；
    4)对市电和负载变化的动态响应性能较差。

    功率MOSFET及IGBT的问世为UPS电源开拓出一条光辉灿烂之路，使UPS电源技术步入崭新的时代——全数字化时代。

    首先,UPS电源的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器,而采用SPWM技术实现整流高频化（AC/DC）。一方面减少直流侧滤波器尺寸，改善直流侧调节性能,提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）控制，使输入电流正弦化，并与市电电压同相，从而实现UPS电源高输入功率因数（PF≈1），消除对市电的谐波“污染”，达到环保目的，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本。

    其次，取消了UPS电源逆变器中的工频变压器，用高频变压器来实现UPS电源与市电的隔离，而UPS电源的输出级采用SPWM变换方式(不用变压器直接逆变)输出工频电压。逆变器中的功率MOSFET或IGBT工作频率在20kHz以上，因此输出滤波器小而简单，而且输出的正弦波非常光滑。

    对于UPS电源内部的蓄电池组采取高频变换降压方式（DC/DC）充电，当市电停电，UPS电源转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实现。

    在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制，使UPS电源动态响应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使逆变器不仅具有较强的过载能力，允许100％负载不平衡（指三相逆变器），而且具有强有力的自身保护。也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器输出变压器，不仅噪音低而且效率高。
    全数字化UPS电源是新一代UPS电源，它除具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点外，还符合当今节能、环保的要求，因此它是一种不仅能满足今日需要，而且可以适应未来发展需要的UPS电源。

    （4）智能化UPS电源

    在计算机网络及通信事业迅猛发展的推动下，当今的UPS电源已在大量引进微处理监控技术的基础上发展成为一种智能化UPS电源。所谓“智能化UPS电源”是指能在UPS电源和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。它所主要完成的控制功能有：

    在UPS电源的运行中，当出现长时间的市电供电故障或停电时，随着市电故障的时间延长，UPS电源会利用上述通信通道向由它供电的计算机网络传送“因市电出故障UPS电源正由电池组供电”、“电池电压偏低”等报警信号。当电池组的端电压下降到临界放电电压时，计算机网络会从UPS电源发出的“自动关闭操作系统”命令的驱动下，在自动完成将程序和数据转入磁盘操作之后，再自动“关闭操作系统”。这样有序的关机操作，将确保用户的软件和数据的安全可靠。

    用户可在计算机网络的各个结点上实时监控UPS电源的运行。利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS电源的运行参数（例如：输入、输出的电压、电流和频率，UPS电源电池组的充电、放电和电压值显示，UPS电源的输出功率及有关的故障、报警信息）。此外，用户还可在计算机网络终端上对UPS电源的输出执行定时的自动开机、自动关机操作。

       在一些需要保证负载不断电的应用场合里面，有时客户会发现UPS频繁出现DC BUS高保护，或者负功保护等。一些客户会据此认为是UPS的质量问题。实际上多数情况下这都是由于后面带有电机类负载产生的现象。在工业场合中，电机是一种主要的负载形式。当工业应用中的关键环节必需有足够高的电源保护等级时，UPS与电机类负载的配合问题就是一个要重点考虑的因素。

　　通常UPS的设计初衷是保护关键IT类设备，在电路结构上就主要基于IT类设备的特点进行设计。比如目前IT设备的主要是使用开关电源，而且欧盟法规规定75W以上的设备都要具备功率因数校正。因此UPS主要面对的就是带有功率因数校正的负载，在通常情况下其特性是一个功率因数接近于1的恒功率负载。在大功率电气设备方面，还有一些旧的设备在使用，这些设备通常是基于6脉波整流或者12脉波整流技术，特点是一个恒功率的非线性整流负载。

　　无论是带有PFC的开关电源，还是脉波整流电源，其功率的实部都只能是正的，能量不会反灌回市电，因此在UPS的设计中更加重视的是在恒功率负载下的可靠性，以及在带有非线性的整流性负载时的谐波控制能力，以及电压稳态精度与动态恢复速度，而不会特别要求具有能量回馈的能力。特别是在UPS带有大量智能化的设计之后，往往会把能量从负载回馈到UPS的直流母线作为一种故障状态来对待。因此在带有电机类负载的时候，电机再生发电产生的能量很容易触发UPS的保护条件。

　　另一方面，UPS在电路架构上常用的结构是整流+电池升压+逆变器的结构，很大一部分UPS的整流和电池升压部分都是使用Boost或者变形的电路，能量仅能从市电和电池流动到直流母线上，而不能反向流动。这样即使软件上允许能量回馈，但是当发生能量回馈时，由于能量都储存在直流母线上，造成直流母线升高，较终仍然会导致UPS跳脱保护。

　　电机负载的特性与IT设备常见的开关电源完全不同，表现为具有启动/制动等诸多工作状态，而且随着电机后面所带负载的不同会有非常大的差异，完全不像IT类开关电源那样只有带载/卸载。因此具体的解决方案也需要考虑电机后面所带负载的情况分别进行处理。

　　电机在启动时有很高的瞬态冲击，如果没有额外的辅助措施，就需要UPS电源能够在瞬时供应非常大的功率。针对IT设备设计UPS一般仅仅是根据短时间内2倍功率设计，而有的UPS则是仅有1.5倍。对于再大功率的负载，软件限流算法或者硬件的限流线路就会发生作用，从而影响电机启动。不过好在UPS一般都设计有Line Support功能，当负载功率大时能够通过旁路供电来解决。但是在电池模式下，无法通过旁路分担功率，就存在电机启动过程异常的可能。为此对于瞬间供应电流的能力非常关键的场合，就需要选择更大功率的UPS。

　　电机在制动时具有能量再生，此时回馈的能量并不仅是电机本身储存的能量，还可能包含了电机后面连接的负载所具有的惯性以及势能所储存的能量。以电梯为例，当电梯上升时需要电机提供能量，而当电梯下降时如果电梯的重量**过下降过程中的阻力，就会成为一个发电设备，带动电机发电，这样再生出来的电力就有可能反灌回UPS。

　　此外，在带有电机的应用中还有另外一个因素需要加以考虑，就是变频调速装置。不同的变频调速装置对于UPS系统的影响也是不一样的。

　　在输入端是一个六脉波整流以及附加的直流或者交流侧滤波器，而在直流母线上连接有制动电阻。当电机发生能量回馈时，变频器的直流母线会被充高。在直流母线达到预设的电压点时，通过开通制动电阻控制来消耗掉回馈的能量。这种做法是目前工业界较普遍的方式，其优点是简单可靠，而且对于UPS来说变频器就是一个标准的非线性整流负载，与IT类负载非常接近。当然其缺点则是电机回馈的能量被转换成热量消耗掉，没有重新利用。

　　为了节约能源，部分高端变频器采用了背靠背的结构，而普通变频器也可以通过添加能量回馈模块来把电机回馈的能量返回输入端。见下图所示。

　　对于这类变频器来说，电机再生的电能仍然会回馈到UPS里面，使得UPS面临与直接连接电机类似的问题。

　　还有一类特殊的变频器使用了矩阵变换器的结构，见下图所示。由于其中没有储能元件，所有的能量都直接在输入输出端传递，对于UPS来说与直接连接电机也没有区别。

　　当然，如果UPS直流母线具有足够大的容量，电机回馈的能量导致的直流母线充高在能够接受的范围内，那么由于给电机提供的平均能量仍然是正的，UPS就仍然可以放心应用。但是通常情况下UPS都没有那么大的直流母线电容，因此必须考虑另外的方式来解决电机负载能量回馈问题。出于简单起见，这里仅讨论UPS单机下的解决方案，在并联系统里面的负功率保护问题牵涉到很多其他的并联系统模块设计的问题，并不仅仅是电机再生能量的处理。

　　部分UPS在电路架构上是使用完全双向的结构，见下面图中所示。其中PFC，逆变甚至电池DC/DC都可以保证能量双向流动。

　　从原理上来说，只要软件上解除在PFC级和逆变器的复功率限制，这种UPS完全可以工作在双向模式下：当电机发生能量回馈时，在市电模式下，通过PFC把能量反馈回市电;在电池模式下，通过双向DC/DC把能量反馈回电池。但是这里面有一些必须考虑到的因素，比如：

　　电网是否允许能量回馈?

　　能量回馈电网需要满足那些规范?

　　电池允许的充电功率有多大?

　　首要的问题是电网方面是否允许再生能量回馈。不同地方的电网对此的要求可能会不一样，对于一些功率特别大的负载，电网出于稳定性考虑可能不希望能量回馈。如果输入端使用的是通常的柴油发电机，那么是不能回馈能量的。

　　在允许能量回馈电网的前提下，必须考虑此时面对的安全问题，这是太阳能发电系统已经面临过的。当能量向电网回馈，而电网由于此时断电的话，就会出现所谓的孤岛效应问题。而电网如果在回馈过程中出现短时间低电压等异常情况，UPS的能量回馈也应当正常工作一段时间。为此适用于可再生能源发电的技术，比如孤岛检测，低电压穿越等技术就业需要配备在UPS上。

　　在电池模式下，常用的铅酸蓄电池在充电和放电时所允许的电流是不同的，充电时的较大电流要小得多。这就意味着如果负载回馈能量很大时，充电电流就也会很大，为此在电池模式下兼容电机负载就需要使用足够多的蓄电池组来分摊充电电流。另外一方面，一般UPS的充电功率是根据常见电池组的容量来配备的，如果要加大充电的功率，这部分电路也需要特别设计。

　　对于其他电路架构的UPS，比如下面一种常见的结构，其电池升压和PFC都是单向工作的，这就意味着电机再生能量是无法反灌到市电或者电池的，必须另外想办法。

　　在市电模式下，较简单的方式不外乎采用旁路解决。只要发现负载回馈的能量过大，就把UPS转到旁路模式下，通过旁路来吸收电机再生能量。不过这一方法只有在旁路真正是市电，并且正常情况下可以使用，因此其应用是有一些局限性的。如果要求UPS不管在市电还是电池模式下还是使用发电机做输入都能搭配电机负载工作，就必须还要有其他的方法。

　　另外一种不受市电和电池模式限制的简单方式就是像变频器一样加入制动电阻来消耗多余的能量。这一设计在变频器上已经非常成熟，可以很方便的移植到UPS上使用。由于传统上UPS并不具有专门为制动使用的IGBT，所以需要把制动电阻和制动IGBT单独设计为一个模块，根据需要来作为可选的附件来使用。

　　能量回馈模块也是变频器上成熟的技术，当然也可以用到这里。但是能量回馈模块的原理也是把电机回馈的能量转成交流返回给市电，为此在电池模式，或者在输入是发电机的情况下，能量回馈模块也是不能使用的。

　　在UPS的充电器设计中，一种常用的做法是从直流母线取电，通过电路降压后给电池充电。在这种方式下，就给电机能量回馈的处理提供了一个变通的方式：无论在市电模式还是在电池模式下，都通过充电器把多余的能量转给电池储存。当电池充到某一个程度时就转到电池模式，把能量释放到一个相对低的水平。这样通过略微降低一点电池后备时间，可以换来电机负载问题的解决。这个过程见下图所示。

　　在市电模式下，能量是从市电Mains，经过PFC，DC BUS，INV产生交流电压输出提供给负载，同时充电器从DC BUS取电，给电池充电。在电池模式下，电池能量经过DC/DC，DC BUS和INV提供给负载。

　　当电机发生能量回馈时，能量流向就会发生改变。在市电模式下，如果BUS电压由于回馈能量而充高时，就需要停止市电供电，而由充电器把能量转移到电池端。

　　当能量回馈结束时，需要先检查电池是否已经充满，如果已经充满，则需要以电池模式把电力释放掉一部分，以为下一次电机能量回馈留出空间。

　　之后再重新转回市电模式工作。在市电模式下，充电器也要保证不把电池充满，而是预留下储存回馈能量的空间。

　　在电池模式下则比较简单，只要BUS由于逆变器复功率而冲高，就关闭电池DC/DC，打开充电器，直到电机能量回馈结束，再转回电池DC/DC工作。这种解决方案的好处是电机回馈的能量只会返回到电池，然后在后续合适的时机再释放出来，而不会返回到市电，从而防止了类似太阳能并网发电方式带来的问题。