電源：簡談柴油機動態(tài)式不間斷電源UPS

標簽：電源 不間斷電源 UPS

提到柴油機動態(tài)式不間斷電源UPS，可能很多專業(yè)的UPS電源工程師都很陌生。本文就簡要介紹柴油機動態(tài)式不間斷電源UPS，使讀者認識這項產(chǎn)品，給電源設計師在今后的實際應用中多一種選擇的思路。

為了對動態(tài)式的不間斷電源有更深入的認識，先了解一下不間斷電源的發(fā)展。

從UPS的發(fā)展歷史來說，經(jīng)歷了兩個階段：旋轉(zhuǎn)(動態(tài))式UPS和靜態(tài)變換(電池式)式UPS。

早期的UPS被稱為旋轉(zhuǎn)式UPS，是由整流器、電池、直流電動機、柴(汽)油機、飛輪和發(fā)電機組成。在市電供電情況下，電動機帶動飛輪和發(fā)電機給負載供電;當斷電后，由于飛輪的慣性作用，會繼續(xù)帶動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使發(fā)電機能持續(xù)給負載提供電源(電能-動能-電能)，起到緩沖的作用，同時啟動柴(汽)油機。當油機轉(zhuǎn)速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相同時，油機離合器與發(fā)電機相連，完成從市電到油機的轉(zhuǎn)換。盡管其維護簡單，也比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)龐大，操作不便，而且效率低，噪聲大，電力品質(zhì)不高，技術(shù)條件的限制迫使人們采用這種最簡單的解決方案。隨著電腦網(wǎng)絡、醫(yī)療器械和精密儀器的不斷涌現(xiàn)和大量應用，旋轉(zhuǎn)式UPS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，另一種形式的UPS---靜態(tài)變換式UPS便應運而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型，也是絕大多數(shù)人對于UPS的概念。

從世界范圍來講，UPS的發(fā)展與應用在中國相對比較滯后，這主要還是由于經(jīng)濟相對落后造成的。近些年，隨著國民經(jīng)濟的不斷壯大，國內(nèi)客戶對UPS的需求逐漸擴大。使得UPS得到了廣泛的應用。事實上，絕大多數(shù)人從一開始接觸和了解的，就是靜止式的電池UPS。談到動態(tài)旋轉(zhuǎn)式的UPS，對很多人來講，就是一個全新的概念了。這下您就要問了，既然之前提到的動態(tài)式UPS有那么多的缺點，已經(jīng)基本上被電池式的UPS替代了，那么就沒有必要強調(diào)這個所謂的新的概念了吧。

其實不然，產(chǎn)品存在的價值是因為客戶的需要。動態(tài)式UPS的存在，彌補了電池式UPS的不足，動態(tài)式UPS結(jié)合自身的優(yōu)點，經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展和改進，在大功率市場，已經(jīng)獨樹一幟，相比較電池式的UPS，單機功率范圍高，優(yōu)勢明顯，功能強大，具備了集成化的電源解決方案，由于其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性更高，并且隨著功率應用的增高，其高效率產(chǎn)生經(jīng)濟性更加突出。因而在國際上的大功率市場，得到了廣泛的應用。

那么，到底什么是動態(tài)式的UPS呢?有什么優(yōu)點呢?下面就處于國際領先地位的荷蘭海泰克電源保護有限公司典型的動態(tài)式UPS簡述一下。

一、系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)以簡潔而有效的方式不斷地對市電進行過濾，并保護突發(fā)停電事故。動態(tài)式的UPS系統(tǒng)以其獨特的設計理念，為用戶提供最優(yōu)化的UPS系統(tǒng)，保證用戶設施的正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)燃料供應量的不同，UPS能夠滿足不同時間長短的電源供應。

該系統(tǒng)主要由五個核心部分組成：

⑴同步交流發(fā)電機。在市電模式下，發(fā)電機的作用就相當于一個同步電容器，它能保持感應耦合器外轉(zhuǎn)子(紅色)的轉(zhuǎn)速。它為負載提供無功功率，與電抗器結(jié)合作為有源濾波器。當市電斷電時，發(fā)電機先由感應耦合器驅(qū)動，然后由柴油機驅(qū)動，提供電源給緊急負載使用。

⑵感應耦合器。感應耦合器是該產(chǎn)品獨特設計的理念，也是UPS系統(tǒng)的心臟。外轉(zhuǎn)子(紅色)包含一個兩極三相線圈， 在市電模式下，它能加快自由轉(zhuǎn)動的內(nèi)轉(zhuǎn)子(黃色)的轉(zhuǎn)速。市電斷電時，UPS使外轉(zhuǎn)子的直流線圈通電，藉此取出內(nèi)轉(zhuǎn)子儲存的動能。柴油機啟動并加速到全速運轉(zhuǎn)或者全功率需要些許時間，而由內(nèi)轉(zhuǎn)子取出的能量足夠滿足這段時間的能量需求。

⑶自由輪離合器。是感應耦合器/發(fā)電機與柴油機之間的機械橋梁。離合器的作用是：當柴油機處于停止狀態(tài)時，允許感應耦合器轉(zhuǎn)動;當柴油機開始運轉(zhuǎn)，并達到感應耦合器/發(fā)電機的轉(zhuǎn)速時，離合器會自動接合，柴油機便開始驅(qū)動感應耦合器/發(fā)電機。這樣，柴油機就在完全空載的情況下啟動并迅速加速運轉(zhuǎn)，確保了機器迅速可靠地啟動。

Hitec機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑷柴油機。柴油機在市電模式下是待機(停止)狀態(tài)。為確保柴油機能夠迅速可靠地啟動，柴油機勻進行預熱并預先對其進行潤滑。只要市電斷電或超出了規(guī)定要求范圍，柴油機就會立即啟動，并加速至全速運轉(zhuǎn)。柴油機啟動期間即由感應耦合器提供緊急負載所需能量。整個轉(zhuǎn)換時間約為5至10秒鐘。

⑸電抗器。 電抗器(扼流圈)將市電與負載分開。電抗器與發(fā)電機相連，它相當于一個連續(xù)濾波器，UPS系統(tǒng)將輸出電壓控制在嚴格的規(guī)定范圍內(nèi)。

系統(tǒng)的其它部分，如開關(guān)設備，可以按照客戶選擇的開關(guān)品牌提供。

UPS的操作十分簡便，可通過數(shù)字式或模擬式的人機交互界面(HMI)進行操作該界面可以顯示整個UPS的運行情況。此外，還可以通過接線、串聯(lián)或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

UPS的控制是由名為DiCon的微處理控制器完成的。DiCon是一種通用的控制器， 能夠控制發(fā)電機電壓、有功功率及無功功率、柴油機轉(zhuǎn)速及感應耦合器。 這種通用設計通過軟件進行設置，以滿足所有可能的系統(tǒng)及配置需求。

二、系統(tǒng)運行

①市電模式

在市電模式下，電抗器和發(fā)電機的作用就相當于一個有源濾波器，它們能夠防止任何市電干擾影響負載。發(fā)電機相當于一個電動機運轉(zhuǎn)， 驅(qū)動感應耦合器的外轉(zhuǎn)子， 使其以1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm的速度旋轉(zhuǎn)。通過激勵外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈，就能使內(nèi)轉(zhuǎn)子以3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm相對于外轉(zhuǎn)子的速度旋轉(zhuǎn)，這樣就將動能儲存在內(nèi)轉(zhuǎn)子中。感應耦合器的外轉(zhuǎn)子與柴油機藉由自由輪離合器相互分隔。

②切換為柴油機模式

當發(fā)生停電或市電超出了規(guī)定要求范圍， 斷路器Q1就會斷開。感應耦合器的直流線圈就會通電，從而將儲存的動能從內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞到外轉(zhuǎn)子。發(fā)電機的速度會保持在1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm。同時，柴油機啟動，并且在約2秒鐘加速至1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm，然后自由輪離合器自動地結(jié)合。在接下來的幾秒鐘內(nèi)，柴油機與感應耦合器共同驅(qū)動發(fā)電機，以確保對緊急負載正常供電。在5到10秒鐘之內(nèi)，柴油機將單獨驅(qū)動發(fā)電機為負載供電。

③柴油機模式

當機器處于柴油機模式時，外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈會再次通電，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子重新加速至3000(50Hz)/3600(60Hz) rpm。柴油機的速度會被監(jiān)測，并進行數(shù)字化控制，以確保輸出頻率穩(wěn)定不變。在柴油機模式下，由于可以利用感應耦合器協(xié)助柴油機運轉(zhuǎn)，因此即使系統(tǒng)遇到負載變動幅度較大的情況，系統(tǒng)的輸出頻率也能夠保持在一個很小的變動范圍之內(nèi)。

④返回市電模式

當市電穩(wěn)定后，UPS會與市電同步，并閉合斷路器Q1。柴油機將減速至1450(50Hz)/1750(60Hz) rpm，因此自由輪離合器斷開。同時， 發(fā)電機返回到發(fā)動機狀態(tài)， 并將感應耦合器的外轉(zhuǎn)子速度保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。 這時，柴油機還將在空載狀態(tài)下繼續(xù)運轉(zhuǎn)一些時間以進行冷機。完成冷機后，柴油機會停止運轉(zhuǎn)，返回待機模式。

三、系統(tǒng)的優(yōu)勢

1. 無電池解決方案!

目前。電池式的UPS系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)，就是電池組。統(tǒng)計顯示，大功率的UPS中電池的價格占很大的比重，一般約占UPS總價格的30%-50%。在返修的UPS中，由于蓄電池的故障而引起UPS不能正常工作的比例大約為1/3。動態(tài)式的UPS系統(tǒng)不使用電池，而是用動能連接起柴油機啟動的時間。這種系統(tǒng)不會出現(xiàn)因使用電池而引起的相關(guān)問題。

2.UPS = 電池式UPS + 備用發(fā)電機

與電池式UPS/備用發(fā)電機相比，動態(tài)式的UPS系統(tǒng)的設計理念更為簡單有效。電池式UPS+備用發(fā)電機的方案包含諧波濾波器、整流器、電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、備用發(fā)電機等組件，而荷蘭海泰克電源保護有限公司的UPS系統(tǒng)則將這些功能完全集合在一個系統(tǒng)中。

VS

柴油機動態(tài)式的UPS的構(gòu)架比電池式UPS更為簡單

3.在線交互式系統(tǒng)，不使用任何電力電子組件

動態(tài)式的UPS系統(tǒng)是在線交互式系統(tǒng)，它與市電并聯(lián)運轉(zhuǎn)。在線交互式系統(tǒng)的優(yōu)點就在于它將UPS系統(tǒng)與市電并聯(lián)起來，而不是串聯(lián)即可達到改善市電品質(zhì)的優(yōu)點。傳統(tǒng)的電池式UPS系統(tǒng)要不斷地通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能，如此

易造成共用點的故障，降低系統(tǒng)的效率。除電抗器外，并無其它電力轉(zhuǎn)換元件，效率更是高達97%。如果分析空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需的電能，通過長時間的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，就能切實地體會到動態(tài)式UPS系統(tǒng)的節(jié)能效應。

4. 電抗器+發(fā)電機=有源濾波器

通過磁耦合抽頭電抗器(扼流圈)與發(fā)電機結(jié)合發(fā)揮了有源濾波器的作用，它能夠有效地凈化市電電壓，防止所有的干擾影響負載。此外，發(fā)電機能夠提供最高至14倍標稱電流的短路電流，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，這又是一大主要的優(yōu)勢。如果UPS的下游發(fā)生短路UPS將會在市電模式下排除故障。傳統(tǒng)的電池式UPS系統(tǒng)則被迫轉(zhuǎn)換到旁路，期望市電能夠排除故障。如果這時市電停電，負載就會處于無保護狀態(tài)，容易發(fā)生負載斷電情況。海泰克的UPS系統(tǒng)在這種情況下不會轉(zhuǎn)換至旁路，這一點是不容忽視的。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)相比，動態(tài)式的UPS系統(tǒng)有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)省運轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的電池、減少施加在機房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與備用發(fā)電機的兼容性問題、可靠性更高、無需支付更換電池的巨大費用等等。

Hitec整套動態(tài)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品存在的價值就是客戶的需要，動態(tài)式UPS自身結(jié)構(gòu)的原因決定了它只適用于大功率市場。以往選擇備用發(fā)電機組和電池式UPS的客戶，如果使用的功率足夠大(500KVA以上)的話，可以考慮使用動態(tài)式的UPS，這將是當前最佳的選擇。

參考文獻：

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