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UPS技术的发展趋势

日期: 2021-03-24
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       UPS技术是在电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、电化学技术、自动控制技术发展的基础上不断创新发展的。新一代UPS在设计中采用了一系列的高新技术,其总的发展趋势是逐步向小型化、网络化、智能化和具有长延时方向发展。随着科技的进步,UPS技术在不久的将来也将开辟一个更新的领域。


       新技术在UPS中的应用


       1.新功率器件


       采用绝缘栅双极型晶体管作为逆变功率器件,其主要特点如下:


       ①大大降低逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗,因此逆变器的效率得以提高,整机效率可达94%-96%。由于IGBT的开关频率为20~50kHz,明显提高了逆变器的性能,使输出电压谐波含量大为减少(小于1.5%),动态响应更好。


       ② IGBT属于电压控制器件,驱动电路简单,同时它有正方形的开关安全工作区,并有高的峰值电流容量,使逆变器的可靠性进一步增加。


       ③由于IGBT逆变器的高频化,输出交流滤波器的尺寸进一步减小,损耗也相应减小了,使整机体积更小、噪音更低。


       ④可靠性高,寿命长。


       2.微处理器数字技术


       控制系统采用先进的计算机数字控制技术及模拟量计算机控制技术,即通过主/协结构完成系统控制。系统由整流/充电器、逆变器、静态开关3个协处理器单元和一个模拟量计算机单元承担其所有的数据采集、模拟运算和功能调整等工作,然后送到主处理器进行集中控制、综合处理、记录存档和显示处理信息。借助这种计算机高速数据处理技术,充分发挥其系统硬件和软件的优越性,提高UPS实时控制、保护和监测的能力。


       其数据采集是通过霍尔传感器以及的高速A/D转换器,将模拟信号转换成数字信号,纳入协处理器和主处理器通道来实现的.根据UPS功能和用户需要,这些信号将用来实现UPS的控制、调整、监测和保护等功能。


       分布在UPS三大部分中的霍尔传感器主要采集以下两类信号:


       ①开关信号:主要反映各部件开关、保险开关及热继电器等的工作状态。


       ②模拟信号:反映输人/输出电压、电流、频率以及充电电压、电流等参数。


       (1) 高速数据处理结构


       UPS控制系统中,采用计算机高速数据处理的主/协结构,增加数据采样点,采用数字控制诊断软件,实现高速A/D, D/A转换设计.UPS运行异常往往反映在各主要波形的异变上,因此,对于各点取样的模拟信息须先进行A/D转换,然后由驱动执行机构完成控制。


        (2) 控制和诊断软件


       控制软件具有各类信号的采集、处理以及运行状态的自动监测、调整和管理功能。诊断软件是故障诊断的专家系统。UPS出现异常后,该系统能迅速对故障进行诊断、推理,判明故障部件,通过显示器(或灯光、声音)报告给使用者以便维修,同时自动记录信息,生成信息档案。


       3.蓄电池自动测试与维护技术


        蓄电池是UPS的储能装置。由于蓄电池故障引起UPS系统故障的比例较高,所以对蓄电池的测试及故障诊断显得尤为重要。蓄电池测试维护软件定期自动检测蓄电池性能参数,为使蓄电他处于良好的工作状态,每隔一定时间就会中断UPS交流输人,使蓄电池组带载放电,激活惰性.保持蓄电池组原有容量。在蓄电池放电时,测试维护软件自动检测蓄电池后备容量和电压,并将检测参数显示在显示屏上.当蓄电池组容量下降10%时,自动结束测试,以免过放电。


        4.并联冗余技术


       后备式UPS的基本原理是:当电网电压正常时,负载能量主要由电网提供,UPS只是对电网电压进行质量调节,并且将电网提供的一部分电能经过整流器、充电器存储在蓄能部件中;在电网出现故障的瞬间,系统将负载与电网隔离并改由内部蓄能部件经逆变器向负载供电,从而避免了关键负载因供电的突然中断而造成损失。因此,UPS内部整流、逆变和蓄能三种功能部件是必不可少的。蓄能部件有转动飞轮、铅酸蓄电池、燃料电池、超导线圈等,其中铅酸蓄电池仍是当前UPS的主流蓄能部件。整流器、逆变器都由电力电子元部件构成的,经历了晶闸管、电力晶体管、功率场效应管和IGBT等几个主要发展阶段。


       要提高关键负载供电的可靠性,一***先须提高UPS自身的可靠性。由于上述三种主要功能部件都是比较脆弱的,除了电路设计上元部件参数要留有相当的余量外,在电路结构和系统保护方面须采取一定措施。通常在UPS内部都设有电压、电流快速检测电路,通过控制进行过压、过流的快速保护。显然,当UPS自身进人系统保护状态时不应使负载供电中断,为此在系统内部另设有旁路通道。该旁路通道具备三个作用:一是当负载出现局部短路等过负荷时,为保护UPS的逆变器,将负载切换到旁路通道、由电网直接供电,清除负载故障点;二是当UPS逆变器自身出现故障时,将负载切换到旁路通道,由电网直接供电,此时旁路通道相当于向负载供电的冗余通路;三是当电网电压比较理想时,系统进人旁路运行的经济运行模式,降低逆变器运行的功率损耗以提高系统的运行效率。所以,通过UPS向负载供电不但可以确保当电网断电时负载供电不会中断.而且可以确保负载供电的品质。


       显然。无论何种原因使UPS进人旁路通道供电,负载都将直接暴露在电网电压之下,若电网电压质量较差,对负载的危害是不言而喻的。


       提高UPS系统的可靠性与可用性可以通过并联冗余方式解决.所谓并联冗余系统是指参与并联运行的各UPS单机在系统中具有同等的地位,共同分担负荷,其中任意一台,单机出现故障,其他单机能自动均担多出来的负荷,而故障单机将自动从负载母线上脱开系统.显然,并联冗余方式使系统的可靠性得到很大提高,对各单机的维护也变得非常容易,整个并联系统可以在不中断对负载供电的情况下进行维护检修,所以可用性也相当高.应当指出,并联冗余系统的主要目的是为了解决可靠性与可用性问题,系统扩容当然可以通过这种途径达到,但并不是主要目的。近年来,国内外在UPS并联系统的研究与开发方面所做的工作较多,大致上形成两个主流方向:一是采用多台UPS单机并联的并联冗余系统,二是在一台UPS单机内部采用多个整流/充电器、逆变器相互并联的模块式并联单机系统。无论哪一种并联冗余系统,都须解决以下一些关键技术间题。


       ①并联运行的各单机或模块的均流问题。实践证明。并联单机间的环流是造成UPS逆  变器故障的主要原因,这个问题若解决不好,不仅可靠性得不到提高,而且适得其反。目前控制并联系统中的各UPS的负载电流均衡的方法主要有电压一频率下垂特性控制法、主从模块控制法、负载母线同步法以及有功、无功环流控制法等,模块间的负荷电流不均衡性已可以控制在5%以内。


       ②模块间的均流控制信号的可靠传送问题。模块间的信号传输线实际上构成了系统的故障瓶颈,电磁干扰或其他的物理毁损都会造成系统故障,所以,均流信号力求简单,要采取强抗于扰编码技术,互连线越少越好。对于并联系统的故障瓶颈现象的存在,可以采取均流控制电路冗余来消除。


       UPS并联冗余系统的理想状态是并联一单机间无任何控制信号互连线,从而消除了并联系统的故障瓶颈,国内外关于这方面的工作已取得一些进展,有些已在产品中得到实现。
 

       ③热插拔电路及接插件技术.对于模块并联系统,可以根据负载情况进行组件的热插拔以方便用户进行系统扩容和组件的维修。并可在不停机的情况下添加或减少组件。

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