電腦采用UPS的原因是市電不是穩定的,它存在著很多電能質量問題,例如電壓浪涌、高壓尖脈沖、暫態過電壓、電壓下陷、線路噪聲、頻率偏移、持續低電壓、供電中斷等。市電的這些質量問題既可能引起電腦的鍵盤鎖定、硬件老化等相對較輕的不良影響,也可能導致數據完全丟失或主板燒毀等較大的事故。而UPS可以提高市電質量,使電腦與市電電源隔離,以消除*和市電中高壓尖脈沖與暫態過電壓的影響,當市電停電時利用蓄電池可以向電腦提供一段時間的電能,保護電腦穩定可靠地運行。因此電腦離不開UPS,UPS也離不開電腦。前期是電腦的應用促使了UPS的誕生,后期是UPS的應用又促使了電腦的普及與發展。

UPS有交流UPS和直流UPS兩種。從供電可靠性、安全性和運行效率來說,直流UPS比交流UPS具有更多的優點,諸如電路簡單、所用器件少、成本低廉、功耗小、體積重量小、可靠性高、制造容易、維護方便等。但直流UPS也有一些缺點,例如不能通過輸入變壓器向負載供電,不能提供交流電能,穩壓和變壓困難,負載不能與市電隔離等。同時又由于歷史原因和傳統觀念的影響,當前應用較多的仍然是交流UPS。

1 當前交流UPS的種類與典型電路框圖

2009年,在《UPS應用》的組織發動下,進行了一場工頻與高頻UPS的大辯論,結果是高頻UPS獲勝。工頻UPS失敗的原因是:SCR多相相控整流是一個時滯環節,無法實現輸出電壓的快速調節,并會導致市電電網電壓畸變,對市電*大,輸入功率因數低、效率低、體積重量大,直流電壓調節為非線性,對市電電壓波動適應能力差,不能數控等而被淘汰。此后,由于采用平衡電感24相自耦變壓工頻整流器和采用自耦變壓器的多相工頻整流與 U d -PWM控制的研制成功,使工頻UPS的性能完全趕上了高頻UPS,但是高頻UPS的開關損耗要大8～33倍[視高頻UPS的開關頻率(10～20)kHz,與工頻UPS整流器的相數(12～24相)而定],這又促使高頻UPS開關研制出了SPWM節能控制與軟開關技術的應用,而SPWM節能控制又促使高頻UPS的輸出逆變器采用了中性點形成變壓器NFT的應用,把高頻UPS的開關損耗減小了50%以上。至此工頻與高頻UPS的性能已經基本相同,并達到了相當高的水平(市電輸入功率因數PF都達到了0.999,對市電電壓波動的適應能力都達到了±30%,整機效率都達到了94%,體積重量兩者基本相同)。工頻與高頻UPS的典型電路框圖如圖1所示,其中圖(a)為高頻UPS的典型電路框圖，圖(b)為工頻UPS的典型電路框圖，圖(c)為高頻或工頻UPS采用節能控制時逆變器采用中性點形成變壓器NFT輸出的電路框圖。

隨著電腦應用領域的增多,各個領域又都各有自己的特點,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,即使對同一個領域,由于不斷發展的需要,對UPS的要求也越來越多,這就使交流UPS的電路越來越復雜,所用器件越來越多、成本越來越高、維修保養越來越復雜、可靠性越來越差。

為了提高UPS的可靠性,又需要增多各種保護電路,或采用冗余并聯工作方式。這種滾雪球式的發展方式導致交流UPS的生產維護技術的難度和銷售價格指數增加,使一般中小型用戶難以承受,嚴重影響了交流UPS的進一步推廣應用。當這種矛盾發展到一定程度時,必然會引發一場UPS的技術改革。

前面已經說過,由于當前交流UPS的性能指標已經達到了相當高的水平,同時電路的復雜程度,也已經達到了極限,所以再想用UPS本身的技術提高其性能,例如減小損耗提高效率,已經沒有多少空間了,必須另想出路,這個出路就是利用負載側電腦自身的高頻開關電源成UPS。

2 當前電腦的性能與開關電源的典型電路框圖

當前的電腦性能比20年前又有了顯著的提高,當市電突然斷電時可以延緩關機,使機內的數據和信息不再丟失,即使不用UPS,也不會使電腦遭到破壞。電腦的用電量也大大減少。箱式分體電腦的耗電量已經降到了250～300W,筆記本式電腦與由筆記本演化出來的一體式電腦的耗電量只有120W。電腦中的直流電源已經全部采用了高頻開關電源。高頻開關電源出現于20世紀50年代,到70年代開始20kHz革命,90年代革命成功,這是直流穩壓電源發展史上的一個巨大的飛躍,到20世紀末開關電源技術已經成熟,并在電腦電源上得到了普遍應用。電腦的供電型式也得到了進步,例如筆記本電腦,采用了內部鋰電池與外部適配器聯合供電方式,形成了一個簡單有效的單體機UPS供電方式。這就為本文前面提出的利用電腦自身的高頻開關電源制成UPS創造了條件。

為了減小低壓大電流時線路壓降、減小電源故障的影響范圍,提高供電的可靠性,一般在小型電腦中都采用了高頻開關電源,具體電路可能不完全相同,但其基本結構與組成是大致一樣的,其典型電路框圖如圖2所示。它主要由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)和電容平滑濾波器三種電路組成的市電側整流濾波器,以及由PWM高頻逆變器、高頻穩壓隔離變壓器、高頻整流器、高頻濾波及控制電路組成的高頻DC/DC變換器兩大部分組成的,輸出低壓直流電壓為± U 01 =±12V;± U 02 =±5V;± U 03 =±3V,供電腦內部電路使用。允許輸入市電電壓的變化范圍為165～270V,輸出電壓的穩定度為0.6%～1%。同時由圖2也可以看出,高頻開關電源的電能變換程式與圖1所示的工頻與高頻交流UPS是基本相同的,這也為用高頻開關電源制成UPS的新思路打下了基礎。

3 交流UPS的供電方式及存在的缺點

交流UPS包括工頻UPS與高頻UPS兩種機型,用市電對電腦供電的典型方式多采用集中供電方式。以圖3所示的高頻UPS為例,用圖1及圖2可以畫出它的集中供電方式如圖4所示。仔細地對這種集中供電方式進行分析可以發現,它存在有很多的缺點:

①前面已經說過,高頻開關電源對電能的變換方式與高頻UPS對電能的變換方式是相同的,因此這種UPS集中供電方式使電能的變換次數增多了一倍,所以滿載開關損耗也增加了一倍,使整個供電系統的效率下降。同時還需要專用的場地與專人進行維護。假定高頻UPS的效率為 η UPS ，高頻開關電源的效率為 η S ，則整個供電系統的效率為η ,則

η = η UPS · η S

②增大了對市電電源的污染和*,假定高頻UPS的污染和*為d UPS ,開關電源的污染和*為d S ,則整個系統的污染和*為d,則

d=d UPS ·d S

③可以使系統的負載減小,假定高頻UPS的負載率為a UPS ,高頻開關電源的負載率為a S ,則整個供電系統的負載率為a,則

a=a UPS ·a S

系統負載率的減小可以使供電系統的效率下降,如圖5所示,也可以是市電輸入電流的THDi增大,如圖6所示,因此對市電的污染程度也增大了。

④使供電系統的可靠性下降,假定高頻UPS的可靠性為b UPS ,高頻開關電源的可靠性為b S ,則整個供電系統的可靠性為b,則

b=b UPS ·b S

⑤使供電系統的投資費和維修費增大,假定高頻UPS的投資費和維修費為c UPS ,高頻開關電源的投資費和維修費為c S ,則整個供電系統的投資費和維修費為c,則

c=c UPS ·c S

⑥使用不方便,不利于供電系統的配電安裝。

因為真正需要用UPS供電的電氣設備如電腦等,所占的比例不太多,而不需要UPS供電的電氣設備所占的比例卻很多。如果把這些設備混合用UPS集中供電,將會造成投資浪費,如果把兩者分開,分別用UPS與市電供電,將會使配電安裝困難,使用也很不方便。

⑦一旦高頻UPS出問題或進行維修,所有電氣設備就得不到UPS供電,同時集中供電還存在“零地電壓”問題。

⑧為了增大供電系統的可靠性,又要采用多臺UPS冗余并聯供電,這樣雖然增加了可靠性,但也增加了投資,降低了負載率,增加了運行損耗,降低了效率,很不經濟。

⑨占地面積大,鉛酸蓄電池也對環境有污染。

⑩高頻UPS的開關頻率目前只能達到20kHz,進一步高頻化甚為困難。

當前大功率高頻UPS尚不便采用容量密度高、單位體積電壓高、不含鎘、鉛、汞,沒有污染的鋰電池。

前面已經說過,當前大功率交流UPS隨著應用領域的增多,使用性能的擴展和必備功能的增多,使電路越來越復雜,售價越來越高,同時它的這種集中供電方式又存在著較多的缺點,因此必然會引起一場希望改變這種現狀的UPS改革,并找出一種經濟實惠、使用靈活方便的UPS供電方式。

4 UPS的改革與自主分散供電方式

UPS改革的目的有兩個:一是把UPS的功能從交流UPS移到電腦的高頻開關電源上;二是將傳統的UPS集中供電方式改變成自主分散供電方式。

當前實現這兩個改革目標的依據,是基于以下三項技術成就:

①當前電腦用的高頻開關電源電路,已經具備了除不能實現當市電中斷時可以獨立地繼續向電腦進行直流供電的功能之外(因為在高頻開關電源中,沒有接入儲能蓄電池組),已具備了UPS的所有功能。例如用圖2所示的由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)、PWM高頻逆變器、高頻變壓器和高頻整流器組成的高頻開關電源的電路框圖,與圖3所示的高頻UPS電路進行比較可以發現,它們的電路組成、電能變換流程和變換方式是完全相同的,因此它們所具有的相應功能也是相同的。即電腦中的高頻開關電源也具備了UPS的功能。只要在高頻整流器(PFC)與PWM高頻逆變器之間接入一組儲能蓄電池,就可以構成一個性能優良的高頻UPS。

②由于當前電腦性能的提高和技術的進步,用電量大大降低,例如一體式電腦的耗電量已經降到120W,因此電腦的高頻開關電源式UPS,可以采用容量密度高、單位體積電壓高、不含鎘、鉛、汞,污染小、壽命長、不需要維護的鋰離子電池。(未完待續)

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