2023年12月22日

漫谈高频机结构UPS的今与夕

作者 admin

UPS是伴随着计算机的问世而出现的。早期的计算机不像现在使用这样方便,一个数据的输入要经过几道手续:首先要将数据分解成0、1的数码,接着要用穿孔机将数码以打孔的形式穿在纸带上;然后将纸带放到光电机上将数据输入到计算机里。由于这些输入过程都是机械的运转,不但手续麻烦,而且费时费力。一个大的数学题目,比如地质资料则需要数小时才可输入完毕。
可想而知,如果在计算机运算过程中一旦停电,整个过程必须再重复一遍,这会带来多大的损失。因此,为了解决这个问题,当时就提出希望在市电停电时能马上给计算机一个信号,同时供电电源也不要马上断电,至少要坚持5s,使计算机能把当前的运算结果保存起来,等供电恢复时可以接着运算下去。这就是不间断电源(UPS)的出现背景,所以说UPS和计算机是一对孪生兄弟。
早期的UPS是一台交流发电机配上一个几吨重的大飞轮。比如1967年我国进口英国的一台1900计算机就配带了一台20kVA的UPS,这是一台在转子轴上安装了一个5吨重飞轮的电动交流发电机。在市电正常供电时,飞轮与发电机转子同速旋转市电断电时,借助飞轮的惯性带动发电机转子再继续一个短暂的供电时间。可以看出,飞轮越重,后备供电的时间越长。
因此这种不间断供电的方式耗材多,效率低,后备时间有限。尤其是起动时间既长又耗费电力,是使用者无可奈何,不得已才设计出的后备供电方案。不过这种供电结构方式也有其很大的优点,那就是抗干扰能力特强,莫说是尖峰、噪声、雷电之类的短暂干扰无法侵入,即使是几秒钟的电压跌落和上冲也不能反应到计算机上。
为了有较长的后备时间,就采用了由直流电动机带动交流发电机的方式,即将交流市电变成直流给电池组和直流电动机供电,一旦市电断电就由电池组向直流电动机供电,使其继续带动交流发电机不间断供电。这种供电结构的优点和飞轮式发电UPS有着同样的优点。可以看出,在这里后备发电的时间长短取决于电池组的储能情况,也就是电池组的容量。该时期的后备发电属于旋转发电机式UPS,是动态后备方式,如图2所示。此时期由于电池组电压在大功率范围内稳定会带来很大麻烦,因为二极管整流输出电压是随市电电压而浮动的,若给电动机稳定的安全工作电压,必须要庞大的直流稳压器,这在当时的技术条件下是很困难的,当时的直流稳压器都是线性的,效率相当低。所以功率不宜做大。
60年后期可控硅的出现推进了UPS技术的发展,大功率可控整流器可以使电池输入电压稳定,交流输出电压也可以用可控硅构成的逆变器产生。此时就出现了另一支由动态变换转向静止变换的UPS。此时的电路特点是:主电路全可控硅化,输入和输出都有变压器,如图3所示。1973年尼克松访华带来的两台Exide公司的UPS就是这种典型的结构。但可控硅逆变器的输出只能是方波,所以逆变器后面要配置庞大而笨重的无源滤波器方可得到类似市电的正弦波。为了减小滤波器的累赘,也有的用几个逆变器输出波形串联以得到接近正弦波的阶梯波,但同样增加了UPS的造价和功耗。
高压可控硅与大功率晶体管的问世又使UPS技术向前迈进了一步,IPM公司在1980年左右率先取消了输入变压器,使UPS功耗有所减小。可控硅逆变器用晶体管代替,于是就出现了脉宽调制技术,由于将工作频率提高到几千赫兹,使得后面的无源滤波器大幅度减小。这样一来是原来80%左右的系统效率几乎提高了10个百分点。但由于晶体三极管的二次击穿效应为机器带来了不可靠因素,恰逢功率MOS管也已问世,此一阶段两种器件都在使用,不过由于功率MOS管压降较大也难以做到大功率,为此晶体管与功率MOS管相结合的IGBT绝缘栅晶体管的出现解决了上述难题,很快就被用在了逆变器上。到此为止,基本定型了迄今为止仍在沿用的所谓工频机结构UPS技术,由于此时逆变器仍在使用全桥电路,输出端都是火线,所以必须要加输出变压器,使其产生零线(中线)。
由于IT技术的迅速发展与普及,大型计算机房开始建立,用电量大幅度增加,于是就发现了两个问题:机房的输入功率因数受到了供电局的质疑,为了保证用电效果供电局一般要求用户的输入功率因数不能低于0.9,而工频机结构UPS的输入功率因数都在0.8以下;由于用电量的增加,效率显得格外重要,大型机房每年的运行费用高得惊人,而工频机结构UPS得实际系统效率大都在90%以下。这种现状如不改变将会给用户带来很大的损失。
为什么逆变器的器件更新很快,而整流器器件一直没变动呢?
一般定型了的生产线尤其是大公司是不会轻易变动的,定型了的电路也不会轻易改动。但由于下述两个原因所迫,不得不及时改进。
1)输出环节的问题不论是什么年代,笨重庞大的体积总是不招人喜欢的,而且耗能相当严重。开始UPS的输出方波要变成正弦波是何其困难!又是庞大的变压器,又是庞大的滤波器或者是庞大的逆变器,等等。所以这一部分就成了急需改进的关键,一有机会决不放过。这也就成了逆变器更新换代的动力。
2)改进的难度和复杂性问题
高频机及频机结构UPS的技术出现为当今高密度信息机房的建立与普及铺平了道路。首先这种UPS的输入功率因数几乎是1,整机效率半载时就可达到95%,仅这两项指标就是传统型工频机结构UPS所望尘莫及的,尤其是当代数据中心为了节能减排提出了能效比(PUE)在1.7以下的要求,更是传统型工频机结构UPS无法达到的指标。