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微课020期 当代数据中心UPS的供电类型及工作原理

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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020期   当代数据中心UPS的供电类型及工作原理

 
 
 

由于IT技术发展迅速,数据中心如雨后春笋遍地建设,供电系统也如影随形紧紧跟上。图1-56示出了当今数据中心供电系统的几个主要类型。直接与IT设备供电的系统可以分成两大类,旋转发电机飞轮储能式和静止变换式。旋转发电机飞轮储能式从结构、外形上又分为立式与卧式两种。这两种结构的UPS都摈弃了有污染的电池组,利用飞轮的储能给IT系统后备供电。可惜的是单机后备时间只有15s,据说也够了。

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1、静止变换式UPS

静止变换式是指全部电路都由晶体管构成,它的品种比较多,有传统变换式、Delta变换式和直流高压式。传统变换式就是大家所熟悉的整流逆变型电路,Delta变换式就是前面介绍的电流源和电压源组合而成的电路,这在后面将有详细叙述。至于直流高压式,这是一个DC-DC高频变换电路,这里的“直流高压”虽然只有240V,但对于48V来说也可算是高压,这样的称呼和电力上的标准名称是否矛盾暂不去讨论。关于这静止变换式种电路由于应用较广,影响也较普遍,在后面均做详细介绍。

2、旋转发电机飞轮储能式UPS

(1)立式结构。图1-57示出了立式结构磁悬浮飞轮储能UPS系统由输入输出配电、储能机构、整流逆变电路和燃油发动机四部分构成了一个闭环调整系统。燃油发动机不在机柜内,另外放置。

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1-58a)示出了这种UPS的电路原理。在市电电压工作在正常范围时,UPS的输入开关S1和输出开关S2闭合,静态开关STS1导通,旁路开关S3和维修旁路开关S4处于断开状态。市电输入电压经滤波后输送到负载,同时驱动储能发电飞轮告诉旋转,进行储能。当电压在规定范围内上下波动时,这个差值就由储能发电—整流器—逆变器支路补偿,使得输出电压一直稳定在一个定值[见图1-58a)输入输出波形]。一旦市电输入电压超出规定范围或断电,输入开关S1断开,储能发电部分的飞轮继续惯性旋转并且发电,使负载不间断地继续运转,大约在2s内起动燃油发动机带动的发电机组[见图1-58b]。燃油发动机大约5S就可以达到额定转速并与UPS锁相,而后就由发电机组继续输出额定电压,一直运行到市电恢复或按人为要求停电。

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(2)卧式结构(见图1-59)。当市电输入电压正常时输入开关Q1和输出开关Q2闭合,旁路开关断开。在这里就比立式结构少了两个STS和一路自动旁路。此时市电通过电感L和同步运转的发电机构成的滤波器向负载提供“清洁”的工作电压电。市电还同时向具有储能功能的感应耦合器中的飞轮供电,使其按照电网电压频率的规定旋转,同时输出交流电压又经晶闸管整流器将整流后的直流电送入感应耦合器中的直流绕组,使其驱动另一个内飞轮相对于交流电驱动的飞轮做高速旋转而储能,该飞轮的绝对转速达七千转以上,这就大大减小了储能飞轮的体积和质量。由于现在工作于市电供电模式,所以油机发动机不工作,处于静止状态,离合器也在断开状态。

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当市电输入超限或断电,输入开关Q1和为感应耦合器供电的开关自动断开,这时高速旋转的储能内飞轮由于继续旋转,就使得外飞轮同轴上的同步发电机继续旋转,不过此时由电动机状态已转为发电状态[见图1-60a]。在此期间已命令燃油发动机起动,当发动机的转数与发电机同步时,离合器啮合,此时就由燃油发动机直接带动发电机旋转了,此时就是燃油发动机工作模式,如图1-60b)所示。待市电恢复正常后,UPS又返回到市电供电模式。

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目前这种飞轮储能式UPS在数据中心我国刚刚接触,用户还不算多。这首先是因为用户习惯了使用式产品,二来是在全国五十多万信息中心机房中70%以上是200㎡以下的规模,而且目前这两种结构的UPS单机功率都比较大,立式一个单机为250kVA,卧式一个单机160kVA,其三,后备时间只有15s,一般用户还不习惯。

 
 
文章摘自《云机房供配电系统规划、设计与运维》,王其英著