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)。UPS的問(wèn)世就是為了保護(hù)計(jì)算機(jī)的程序不被破壞,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))，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，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?？煽毓枵髌鬏敵鲭妷航o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)。由于逆變電路是全橋結(jié)構(gòu)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。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)。由于工頻機(jī)UPS工作在工業(yè)頻率又有輸出變壓器,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靥岣遀PS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還將部分電能通過(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。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開關(guān)的典型切換時(shí)間為≤200ms左右。導(dǎo)致ATS開關(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開關(guān)使用壽命縮短。為此,有必要人為地為ATS開關(guān)設(shè)置適當(dāng)延時(shí)切換保護(hù)功能。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)。
　　
　　②與傳統(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。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。
　　
　　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。斷開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。有的UPS制造商又開動(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;內(nèi)部的儲(chǔ)能飛輪作飛速旋轉(zhuǎn),開始除能;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,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)。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。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,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,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,重新進(jìn)入市電模式。