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市電并不是穩定的,它存在著(zhù)很多電能質(zhì)量問(wèn)題,例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過(guò)電壓、電壓下陷、線(xiàn)路噪聲、頻率偏移、持續低電壓、供電中斷等。這些質(zhì)量問(wèn)題既可以引起計算機的鍵盤(pán)鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響,也可以導致數據完全丟失或主板燒毀等較大的事故。所以計算機必須采用UPS供電。UPS可以改善市電的供電質(zhì)量,保護計算機穩定可靠地運行。
UPS是專(zhuān)門(mén)為計算機設計的一種不間斷電源,UPS離不開(kāi)計算機,計算機也離不開(kāi)UPS。隨著(zhù)計算機的廣泛應用,使得UPS也得到了廣泛的應用。
對于UPS,按其輸出電壓波形的不同,可以分為交流UPS(AC UPS)和直流UPS(DC UPS),對于像計算機和通信系統等直流用電負載而言,從供電的可靠性、安全性和運行效率來(lái)說(shuō),直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點(diǎn),諸如電路簡(jiǎn)單、所用元器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、擴容簡(jiǎn)單、制造容易、維護方便等。但直流UPS也存在著(zhù)一些缺點(diǎn),例如,不能通過(guò)工頻變壓器向線(xiàn)性穩壓電源供電,不能帶交流負載,輸出的大功率直流電壓穩壓困難,直流電壓變化困難,市電與負載之間不能實(shí)現隔離等。雖然直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點(diǎn),但由于歷史原因和傳統觀(guān)念的影響,當前應用較多的仍然是交流UPS,隨著(zhù)汁算機應用領(lǐng)域的增多,每個(gè)領(lǐng)域各有自己與眾不同的特點(diǎn),因此對交流UPS的要求也各不相同,而作為公共設備的交流UPS,則必須具備所有這些功能:同時(shí),即使對同一領(lǐng)域,由于不斷發(fā)展的需要,對UPS的功能要求也越來(lái)越多,這就使交流UPS的電路越來(lái)越復雜,所用元器件越來(lái)越多,成本越來(lái)越大,維護越來(lái)越復雜,體積越來(lái)越大,可靠性越來(lái)越差。為了提高UPS的可靠性,又需增加各種保護電路或采用冗余并聯(lián)的工作方式。這種滾雪球式的發(fā)展方式,導致交流UPS的生產(chǎn)維護技術(shù)的難度和售價(jià)指數增加。這又使一般中小型用戶(hù)難以承受,嚴重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應用。當這種矛盾發(fā)展到一定程度時(shí),必然會(huì )引發(fā)一場(chǎng)UPS革命。
l 當前UPS的結構特點(diǎn)與存在的問(wèn)題
當前UPS電路的結構形式,是由上世紀70年代UPS開(kāi)發(fā)的初期決定的。那時(shí)的計算機采用的是以工頻變壓器為依托的線(xiàn)性電源,同時(shí)又由于交流電動(dòng)機負載的存在,因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達到這個(gè)目的就必須進(jìn)行逆變,于是逆變器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高,都集中表現在逆變器上,因此大家都圍繞著(zhù)逆變器大做文章,使逆變器成為UPS中電路最復雜,工藝最復雜,元器件用得最多,要求又最嚴格、設計制造最困難.體積最大、造價(jià)最高的部件,它占去了UPS整機成本、體積、重量和功耗的90%以上,成為UPS技術(shù)、功能和制造維護的難點(diǎn)集中地,當然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。因此,對UPS革命自然而然地應從逆變器人手。也就是說(shuō)要取消逆變器,只有這樣才是對UPS最徹底的革命。但去掉逆變器在開(kāi)關(guān)電源未普及之前決非易事,它有三大難點(diǎn)不能解決: 一是直流電壓不能通過(guò)工頻變壓器向線(xiàn)性穩壓電源輸送電能,亦即不能實(shí)現不問(wèn)斷供電;二是大功率直流穩壓困難,計算機的多種低壓直流電源采用直流變壓困難;三是市電與計算機的電隔離困難。
高頻開(kāi)關(guān)電源的出現與廣泛應用,為解決上述三大難點(diǎn)創(chuàng )造了條件。高頻開(kāi)關(guān)電源萌芽于20世紀50年代,到20世紀70年代完成了20 kHzPWM開(kāi)關(guān)電源樣機,被稱(chēng)作“20 kHz革命”,是直流穩壓電源發(fā)展史上的一個(gè)巨大飛躍。到20世紀術(shù)高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟,并得到了廣泛的應用,特別是在計算機電源中的應用,為UPS取消逆變器創(chuàng )造了條件,因為它解決了直流蓄電池電壓的穩壓、變壓和市電與計算機之間的隔離問(wèn)題。
為了減小低壓大電流時(shí)的線(xiàn)路壓降,減小電源故障的影響范圍,提高供電的可靠性,一般在小型計算機中都裝有高頻開(kāi)關(guān)電源。這些開(kāi)關(guān)電源的具體線(xiàn)路可能不完全相同,但其基本結構與組成部分足大致一樣的。當前,ATX電源已取代早期的AT電源應用于計算機中,其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波、市電側整流和平滑濾波3種電路組成的市電側整流濾波電路,以及由高頻逆變、高頻變壓隔離、高頻整流、高頻濾波及控制電路組成的DC/DC變換器兩部分組成的。輸出的低壓直流電壓為±12V,±5V,3.3 V,以供計算機內部電路使用。一般高頻開(kāi)關(guān)電源允許輸入電壓的變化范圍為交流工頻165~275 V,直流233 4~388.9 V,輸出電壓精度為O 6%~1%。
從圖l所示的原理框圖可知,ATX開(kāi)關(guān)電源所具有的3種功能對取消UPS中的逆變器是十分有用的:一是可以輸入工頻交流電壓,也可以輸入233 4~388.9V直流電壓,以保持直流輸出電壓基本不變;二是ATX中的DC/DC變換器具有直流穩壓和變壓的功能; 三是高頻變壓隔離器中的變壓器具有隔離作用。這3種功能滿(mǎn)足了計算機對UPS的要求,并實(shí)現了計算機輸入電源的交直兼容,使計算機不再一定非要輸入220 V工頻電壓。
2 UPS的改革方案和工作原理
如前所述,逆變器是決定傳統交流UPS性能和質(zhì)量的核心部件,對UPS革命的目的就是去掉逆變器,以降低UPS的成本,提高效率,減小生產(chǎn)難度,減小體積重量、簡(jiǎn)化操作維護,減小故障率,提高可靠性,因此,去掉逆變器的無(wú)逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案。
一臺單相交流UPS向一臺計算機供電的原理電路如圖2所示,圖2中的左側虛線(xiàn)框內所示的電路為傳統交流UPS,它包括整流器、蓄電池和逆變器;圖2中的右側虛線(xiàn)框內所示的電路,為計算機中的ATX開(kāi)天電源,它包括抗干擾電路、市電側整流濾波電路和DC/DC變換電路。在圖2左側的傳統交流UPS電路中,市電220 V交流電壓經(jīng)過(guò)無(wú)仃何升、降壓功能的橋式整流器,整流成+300V向蓄電池進(jìn)行浮充電,蓄電池上的+.300V直流電壓再經(jīng)過(guò)逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機供電。在圖2右側的汁算機ATX開(kāi)關(guān)電源中,“市電側整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成+300 V直流電壓,而后再由ATX中的DC/DC變換器將+300 V直流電壓變換成±12 V,±5V和3.3 V的直流電壓向計算機供電,由圖2可以看出,左側UPS中的整流器輸出的直流電壓,與右側ATX中“市電側整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V,是相同的。這就說(shuō)明逆變器將蓄電池電壓+300V再逆變成220V工頻足多余的。因此可以將UPS中的逆變器去掉,并直接將蓄電池的+300V直流電壓,通過(guò)汁算機中ATX的“市電側整流濾波電路”向計算機供電,如圖3所示。要作到這一點(diǎn).LPS中的整流器必須采用直接整流的方式,而不能帶任何的升降壓功能。
將圖2所示的供電電路去掉逆變器以后就變成了如圖4所示的無(wú)逆變器UPS向計算機供電的電路,此時(shí)無(wú)逆變器UPS相當于一個(gè)具有交流旁路的直流UPS。此時(shí)UPS的工作方式是由市電、整流器與蓄電池組成的直流UPS通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2向計算機不間斷供電,當直流UPS需要檢修或出現故障時(shí),由市電通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)(靜態(tài)開(kāi)關(guān)1)向計算機供電。
比較圖2和圖4可知,去掉逆變器以后使UPS電路得到了很大的簡(jiǎn)化,保剩下r整流器、蓄電池及靜態(tài)開(kāi)關(guān),這時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2變成了只用一個(gè)SCR的直流開(kāi)關(guān)。
由圖4左側所示的單相無(wú)逆變器UPS電路組成的三相無(wú)逆變器UPS電路如圖5所示,其工作原理與工作方式與圖4所示單相電路相同。
3 無(wú)逆變器UPS的兩種工作模式
無(wú)逆變器UPS的工作模式有兩種:一種是后備式工作模式,另一種是在線(xiàn)式工作模式。
3.1 后備式工作模式
單相無(wú)逆變器UPS向計算機供電的原理電路如圖4所示。當工作在后備模式時(shí),在市電中斷或在恢復過(guò)程中,作為后備式UPS負載中的ATX開(kāi)關(guān)電源,其“市電側整流濾波電路”的輸出電壓uh及電流iR的波形如圖6所示。圖6中t1之前由市電供電;t1時(shí)刻市電斷電;t1~t2期間ATX開(kāi)關(guān)電源內部的儲能電容放電以維護計算機的工作;t2時(shí)刻由UPS中的蓄電池供電;t3時(shí)刻市電恢復。
3.2在線(xiàn)式工作模式
如圖4所示,對于在線(xiàn)工作模式,在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(shí)(如檢修整流器或蓄電池時(shí)),以及之后又恢復直流供電時(shí),作為在線(xiàn)式UPS負載的ATX開(kāi)關(guān)電源,其“市電側整流濾波電路”輸出端的電壓uR及電流iR的波形如圖7所示。圖7中t1之前由在線(xiàn)式UPS直流供電;t1一時(shí)刻轉入市電旁路供電;t1~t2期間由市電旁路供電;t2~t3期間由ATX開(kāi)關(guān)電源內部?jì)δ茈娙莘烹娋S持計算機工作,UPS中的蓄電池沒(méi)有直流電流輸出,t3時(shí)刻UPS恢復直流供電。
3.3 靜杰開(kāi)關(guān)l和2之間的切換
3.3.1 由市電旁路供電到蓄電池直流供電的切換
當市電掉電時(shí),隨著(zhù)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)關(guān)斷的同時(shí),關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)l的觸發(fā)脈沖,并對靜態(tài)開(kāi)關(guān)2進(jìn)行觸發(fā).使其被觸發(fā)導通。
3.3.2 由直流供電到市電交流旁路供電的切換
如圖8所示,首先關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖,當市電電壓正半周到來(lái)的瞬間,將靜態(tài)開(kāi)關(guān)l(旁路)觸發(fā)導通,用市電電壓正半周的峰值(311 V)大于蓄電池電壓(+300V)的值來(lái)關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2。
4 無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運行
直流電壓的并聯(lián),或在同一個(gè)市電電源下的交流并聯(lián),是比較容易的。兩臺單相無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)工作的原理電路如圖9所示。假定它們工作在在線(xiàn)模式,靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)處于關(guān)斷狀態(tài)。當兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時(shí),即UB1-UB2時(shí),兩臺UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個(gè)負載。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時(shí),例如UB2<ub1時(shí),靜態(tài)開(kāi)關(guān)2將受反壓而關(guān)斷,負載電流將全部由ub1供給。如果ub1的充電電流小于負載電流時(shí),則ub1蓄電池組將放電以補充不足的電流,ub1將下降,而此時(shí)ub2會(huì )因不斷地被充電使ub2上升,當ub2被充到ub2=ub1時(shí),靜態(tài)開(kāi)關(guān)2導通,自動(dòng)轉入到兩臺ups共同分擔同一個(gè)負載電流的狀態(tài)。并在向負載供電的同時(shí),同步完成對各自蓄電池組的充電過(guò)程。< p="">
如果市電電源中斷,則這些并聯(lián)的UPS不論其蓄電池容量大小,充電的程度如何,仍然可以自動(dòng)地同步到放電終了的狀態(tài)。
無(wú)逆變器UPS能夠具有如此良好的并聯(lián)特件.豐要得希于如下3點(diǎn)。
1)不存在頻率、相位不一致的問(wèn)題;
2)極佳的電流峰值九,易于實(shí)現不同容量、不同充電程度的無(wú)逆變器UPS進(jìn)行并聯(lián),對負載具有極好的積壓適應能力;
3)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2中的晶閘管杜絕了“環(huán)流”現象的發(fā)生,即不會(huì )出現電壓高、容量大的UPS向電壓低、容量小的UPS饋電。
5 無(wú)逆變器UPS的另外兩種方案
5.l 采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的UPS
采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的無(wú)逆變器uPs的電路,如圖10及圖11所示。其中圖lO是單相電路,圖1l是三相電路,它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同,這里不再贅述。這種無(wú)逆變器UPS的特點(diǎn),一是采用了兩組蓄電池及單管半波整流充電,二是有兩組輸出,每組對應于一組蓄電池。兩組輸出A和B既可以單獨使用,也可以同時(shí)使用。同時(shí)使用時(shí)就將單管半波整流,變成了單管全波整流,有利于提高市電輸入功率因數。
5.2 采用直流旁路的無(wú)逆變器UPS電路
采用直流旁路的無(wú)逆變器UPS的電路,如圖12和圖13所示。其中圖12是單相電路,圖13是三相電路。它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同,不再贅述。這種UPS的特點(diǎn)是采用了直流旁路。旁路的直流電壓為+300 V,蓄電池的直流電壓為+252 V。當由蓄電池供電切換到直流旁路供電時(shí),先關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖,然后再觸發(fā)導通靜態(tài)開(kāi)關(guān)l,用旁路開(kāi)關(guān)的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開(kāi)關(guān)2關(guān)閉,如圖14所示。這樣將使切換控制電路更簡(jiǎn)單,省去了市電電壓正半周的檢測電路。
多臺采用直流旁路無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運行原理和工作過(guò)程與圖9所示多臺無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運行相同,這罩不再贅述。其原理電路如圖15所示。直流旁路的并聯(lián)和直流UPS的并聯(lián),都變得極其簡(jiǎn)單和容易,兩臺UPS之間由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)和靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的存在,而不會(huì )出現環(huán)流。