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微课015期云机房供配电系统中UPS的电路构成

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微课这个名字的确起得好,既简单明了又有技术含量。它表明三言两语解决实际问题,既节省了时间又获得真知。真希望这个栏目做成知识交流的平台。少谈些家长里短风花雪月之类的话题,多说些知识性的东西,总之要珍惜时间,多作有益的贡献才符合这个创意新颖的名字。

王其英

微课015期  UPS的电路构成  王其英著

 
 

UPS的基本含义是不间断电源(Uninterruptable Power Supply,意思是说在用该设备供电的情况下,一旦市电供电中断时UPS设备仍然会不间断地将供电功能继续下去,使后面的用电设备不受任何影响地继续正常运行。那么它的基本结构如图1-7a)所示。从图中可以看出,其主电路分4个主要环节。

(1)第一变换器,一般为整流器。其基本功能是将输入的交流电整流成直流电。当然也有个别情况,比如有的第一变换器就是双向变换的,既可将交流整流成直流又可将直流逆变成交流,Delta变换UPS就属于这一种。但无论如何第一变换器必须具备交流变直流的功能。

(2)第二变换器,一般为逆变器。其功能将第一变换器或电池组送来的直流逆变成交流。当然也有个别情况,比如Delta变换UPS的第二变换器就是双向变换的,既可将交流整流成直流又可将直流逆变成交流。但无论如何第二变换器必须具备直流变交流的功能。因此,UPS的电路结构主要就是双变换。有不少UPS的说明书上都写明采用了“双变换技术”就是这个意思。

第一变换器和第二变换器就构成了双变换功能的UPS。所以任何UPS都必须具备双变换的能力,否则就不是UPS。其原因很简单,在市电停电时就失去了交流输入,为了不间断供电就必须从另外的储能设备中汲取能量,而能长期储存的能量就是直流电能,比如电池组提供的直流电能。此时逆变器就会不失时机地将电池组送来的直流电能转化成与市电相同的直流电提供给用电设备,以使其不间断地连续运行下去。但电池组储存的电能是由化学能转化而来,其容量是有限的,当其中的化学物质完全反应完毕后,其供电能力也就终结了。为了电池内的能量可以反复使用,根据能量守恒定律就必须给电池重新充电,以使其化学反应还原,再等待下一次的使用。这种充电是直流进行的,所以必须有一个将市电交流变换成直流的装置(整流器),这就是第一变换器。从此可以看出,任何UPS都不会是单变换的装置,一般在线式UPS整流器的功能除给电池充电外还直接供给逆变器,当然有些小容量的UPS整流器和充电器是分开的,但无论如何这个功能是不可少的。所以有些UPS说明书上将双变换功能说成是该设备的特点就不对了,根本就没有单变换的UPS,也没有所谓真正双变换和假双变换之分。

为了使UPS供电具有更高的可靠性,外加旁路(Bypass)就使其输出具有了冗余性。于是第一变换器、第二变换器、电池组和旁路就构成了UPS独家具有的四大基本部分。换言之,只要具备了这四大部分就必定是UPS

另一方面也可以看出,以上四个基本环节少了任何一个,那就不是UPS。比如如1-7b)少了第一变换器(整流器),就构成了市场上出售的逆变器;图1-7c)少了第二变换器就是整流器或充电器,比如直流屏。图1-7d)少了外加旁路(Bypass)就是变频器,比如从国外购买的60Hz设备,再用50Hz的市电就不行了,这时逆变器就必须输出60Hz的供电电压,再如航空港为飞机提供的400Hz电源也不能用50Hz的电源代替;图1-7e)少了电池组,失去了不间断供电的功能,就成了交流稳压器(CVCF),也叫做稳压稳频源。

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从以上电路结构就可以看出UPS结构的唯一性。由此也可以看出UPS的三大基本功能——稳压、滤波、不间断。在市电供电时,UPS是稳压器和滤波器,市电断电时就是不间断供电电源。

有的人认为UPS的基本功能除以上三条外还是具有稳频的功能,实际上这个功能只有在电池供电模式下才有。平时市电供电情况下UPS输出电压的频率和相位必须时刻跟踪旁路,也就是输入电源电压。一旦跟踪不好,万一此时需要将负载切换到旁路就不能切换或导致故障。为了切换成功,所有UPS都是这样设计的,没有任何一家的UPS在市电供电模式下其输出电压是稳频的。比如当市电电压频率变化3Hz时,如果UPS的输出电压频率仍为50Hz,那么大约每隔8个周期,输出电压就与输入电压相差180°,两个电压的峰峰值就相差近620V,这时如果需要切换怎么办?如果零切换就比“炸”功率管,实际上此时也根本就不能切换。

UPS的基本作用总的来说就是稳压、滤波、不间断,但是不同的电路结构其作用也不同。

 
 
文章摘自《云机房供配电系统规划、设计与运维》,王其英著