摘 要:介紹了一種新型高頻開關電源式不間斷電源的構成原理與優點,它也代表了不間斷電源技術的發展方向。

③當今技術相當成熟的電力工業,由于普遍采用了信息化管理、智能化供電的電網調度技術,以及在市電系統中采用了ATS開關,在雙路市電輸入電源之間自動切投調控操作的保護性設計方案,在市電輸入供電系統中,發生長時間停電故障的幾率很少,一般事故的停電時間為3～10s。

以上所述的三項技術成就,都為電腦開關電源式UPS的生成和實現UPS自主分散供電方式創造了條件。所謂自主分散供電方式,是指各個電腦只用專為自己生產配套的高頻開關式UPS,不與其他電腦共用一個UPS。

根據上述三項技術成就,就可以得到UPS改革的方法,這個方法其實很簡單,就是在如圖2所示的高頻開關電源的典型電路框圖中,設法在高頻整流器(PFC)與PWM高頻逆變器之間加入一組儲能鋰電池,就可以變成高頻開關電源式UPS,其電路框圖如圖7和圖8所示。

其中圖7所示為專用于分體式電腦的。圖8所示為專用于一體式電腦。因為一般現有的小容量鋰電池組的電壓都比較低,所以必須用Buck DC/DC變換器,使高頻整流器(PFC)的直流輸出電壓與鋰電池組的直流電壓相匹配,以利于鋰電池組充電。由抗*濾波器、高頻整流器(PFC)、Buck變換器組成的電路,由于是高頻開關電源式UPS電路的一個組成部分,其作用主要是與后面的電路共同完成UPS功能,其次才是對鋰電池組充電,所以叫適配器,不叫充電器,一般把它制成獨立電器作為電腦的一個附件使用。

采用高頻開關電源式UPS,對電腦進行自主分散式供電的電力系統如圖9所示,所謂高頻開關電源式UPS對電腦進行自主分散式供電,是指 N 臺電腦采用自身專用的高頻開關電源式UPS,一對一的向電腦供電,都直接接到市電電源上進行工作的一種供電方式。這種供電方式與圖4所示的集中供電方式比較有很多優點。

5 高頻開關電源式UPS及其自主分散式供電的優點

高頻開關電源式UPS,是在高頻開關電源電路中,加入了儲能鋰電池構成的,因此這種UPS既具有UPS功能,也具有高頻開關電源的技術特點。把 N 臺用這種UPS一對一的自身供電的電腦再接入到市電電源上,就構成了自主分散式供電方式。這種UPS及其自主分散式供電方式具有很多優點:

(1)高頻開關電源式UPS的優點

①利用已經成熟的高頻開關電源技術,可以采用價格低廉、開關速度快、損耗小、開關頻率

高的低壓MOSFET管作開關,把ZVS或ZCS軟開關技術應用到UPS中,使UPS的開關頻率可以提高到40～100kHz以上,為UPS進一步的高頻化創造了條件;

②由于這種UPS可以進一步高頻化,所以更有利于把UPS的市電輸入功率因數提高到接近于1,可以更有利于把市電輸入電流的THDi減小到1%以下,使UPS對市電電源的諧波污染減小到接近于零;

③當電腦工作時,高頻開關電源式UPS的負載率大致保持在100%不變,故對它的效率、市電輸入功率因數和市電輸入電流的THDi沒有影響,這就可以使高頻開關電源式UPS的工作效率保持在最高點運行;

④現代電腦本身都具有市電斷電時保護電腦的數據及信息資料不丟失的功能,和不使電腦遭到破壞的保護功能,故對一般家用電腦或不重要場合應用的電腦,可以不用UPS電源供電,只有對重要場合應用的電腦,才用UPS供電。處于這種考慮,可以在電腦機盒上設置一個電池插座,把電池作為一個附件,對不需要UPS供電的用戶可以不提供電池,靈活方便;

⑤高頻開關電源式UPS的生產成本較低,只在高頻開關電源中多一組鋰電池,因此售價較低,一般小型用戶或家庭都買得起。而且這種UPS的體積小,裝在電腦機盒中就可以了,不必另行設置安裝空間;

⑥由于采用的是容量密度大、壽命長、無污染的鋰電池,故可以在任何環境條件下應用,而且

也不需要進行復雜的維護修理。

(2)高頻開關電源式UPS自主分散式供電的優點

①因為電腦使用自身的專用高頻開關電源式UPS一對一供電,所以供電系統的效率就等于高頻開關電源式UPS的效率,而高頻開關電源式UPS的電能沒有重復或多余的變換,故效率較高。

②系統的負載率等于高頻開關電源UPS的負載率,其值接近100%,故系統的負載率對系統效

率、市電輸入功率因數和市電輸入電流的THDi都沒有影響。

③系統的可靠性等于高頻開關電源式UPS的可靠性,不再受集中供電UPS的影響,故可靠性比

圖4所示的集中供電方式要高,而且也不存在“零地電壓”問題。

④沒有了高頻與工頻機型UPS昂貴的投資和維護費。

⑤因為是用自身的專用高頻開關電源式UPS一對一的供電,故不會也不可能使電腦與不需要用UPS供電的其他用電設備混合接在UPS上供電的現象,使UPS的電能利用率為100%,使用方便。

⑥不存在也不可能存在多臺UPS冗余并聯供電的方式,故比圖4所示的集中供電方式的負載率要高。

⑦占地面積比集中供電方式小,沒有鉛酸蓄電池對環境的污染。

⑧每一臺高頻開關電源式UPS,都可以采用光能電池做為家用電腦的UPS應用。光能電池,是一種用光能自動充電的電池,它是用鋁錳單晶硅為原料,利用航空技術瞬間把光能轉換成電能的一種自動充電電池。只需用太陽光照射兩小時或者用燈光照射三小時就可以把電池充滿,不用接市電電源充電,不腐蝕、不流液,可以反復充電80次左右。利用這種電池的UPS白天可以接市電電源上機,在陽光下面邊充電邊上機十分節能環保。一旦市電斷電,電腦仍然可以工作,達到了UPS的效果。光能電池家用電腦用UPS電源的電路,是由圖8所示高頻開關電源式UPS電路的基礎上,把鋰電池換成光能電池構成的,如圖8的中部下方所示。

6 用互動式UPS來延長供電時間

對于某些企業、銀行、醫院、政府或科研部門,為了延長UPS的供電時間,可以選用電路簡單、成本低、效率高的互動式UPS,其電路如圖10所示。它是由一個三相半橋式逆變器構成的、處于熱備用狀態的UPS。當市電正常時,逆變器工作在整流狀態給蓄電池充電,UPS處于熱備用狀態,負載由市電電源供電。當市電中斷時,逆變器工作在逆變狀態,由蓄電池放電繼續向負載供電,此時輸入開關自動斷開以防止UPS向市電反向饋電。

互動式UPS具有如下特點:

①三相半橋式逆變器接在輸出端,處于熱備用狀態;

②輸出能力強,電流峰值系數高,過載能力強;

③市電輸入功率因數和輸入電流的THDi取決于負載;

④UPS的效率可以高達98%;

⑤由于輸入開關具有20～300ms的斷開時間,所以UPS的切換時間不等于零。對于具有高頻開關電源式UPS的電腦或一般電腦來說是沒有影響的。例如一般現代電腦也都有大于1秒的延滯關機保護時間,300ms的切換時間不會使電腦遭到破壞;

⑥電路簡單、成本低,供電可靠性高。

7 結束語

現代高頻UPS和平衡電感式24相自耦變壓器工頻整流器UPS(也包括多脈波自耦變壓整流和U d -PWM控制的工頻整流器UPS)被認為是當代UPS的發展方向。但仔細分析可以發現,這些高頻與工頻機型UPS的構成本身和它們的供電方式都存在著很多缺點,如電能變換次數增加了一倍。開關損耗也成倍增加,運行中負載率低也影響輸入功率因數與變換效率的提高,降低了供電的可靠性,使節能環保的優點不能充分發揮,需要專用的場所與專門的維護人員,價格貴、有污染等,故不是性能最好的UPS。

本文提出的采用高頻開關電源式UPS才是最好的UPS,采用高頻開關電源式UPS及其自主分散式供電方式,才是今后UPS的發展方向。這種供電方式,只是把電腦中的高頻開關電源進行了簡單的改造:加入了一個Buck DC/DC變換器,一個鋰電池組,在電腦生產廠就可以完成。由于結構簡單、造價低、效率高、可靠性高、無污染、不需要專用場所與專用維護人員等優點,所以一般小型用戶或家庭都買得起、用的起。使UPS的應用得到了最大限度的普及,也使電腦的可靠工作得到了進一步提高。可以預計UPS的這個新思路是會得到廣大用戶歡迎的。再過幾年,一般沒有特殊要求的大多數用戶一定都會采用這種價格便宜、可靠性高、不需要專用場地、不需要維護、效率高、無污染、使用方便、可以自主分散式供電的高頻開關電源式UPS，不會再用工頻或高頻機型UPS了。

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