電源：簡(jiǎn)談柴油機動(dòng)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(dòng)態(tài)式不間斷電源UPS，可能很多專(zhuān)業(yè)的UPS電源工程師都很陌生。本文就簡(jiǎn)要介紹柴油機動(dòng)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(shí)際應用中多一種選擇的思路。

為了對動(dòng)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(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了兩個(gè)階段：旋轉(動(dòng)態(tài))式UPS和靜態(tài)變換(電池式)式UPS。

早期的UPS被稱(chēng)為旋轉式UPS，是由整流器、電池、直流電動(dòng)機、柴(汽)油機、飛輪和發(fā)電機組成。在市電供電情況下，電動(dòng)機帶動(dòng)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(huì )繼續帶動(dòng)發(fā)電機的轉子旋轉，從而使發(fā)電機能持續給負載提供電源(電能-動(dòng)能-電能)，起到緩沖的作用，同時(shí)啟動(dòng)柴(汽)油機。當油機轉速與發(fā)電機轉速相同時(shí)，油機離合器與發(fā)電機相連，完成從市電到油機的轉換。盡管其維護簡(jiǎn)單，也比較穩定，但系統龐大，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(jiǎn)單的解決方案。隨著(zhù)電腦網(wǎng)絡(luò )、醫療器械和精密儀器的不斷涌現和大量應用，旋轉式UPS已難以滿(mǎn)足要求。因此隨著(zhù)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(jiàn)到的UPS類(lèi)型，也是絕大多數人對于UPS的概念。

從世界范圍來(lái)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(zhù)國民經(jīng)濟的不斷壯大，國內客戶(hù)對UPS的需求逐漸擴大。使得UPS得到了廣泛的應用。事實(shí)上，絕大多數人從一開(kāi)始接觸和了解的，就是靜止式的電池UPS。談到動(dòng)態(tài)旋轉式的UPS，對很多人來(lái)講，就是一個(gè)全新的概念了。這下您就要問(wèn)了，既然之前提到的動(dòng)態(tài)式UPS有那么多的缺點(diǎn)，已經(jīng)基本上被電池式的UPS替代了，那么就沒(méi)有必要強調這個(gè)所謂的新的概念了吧。

其實(shí)不然，產(chǎn)品存在的價(jià)值是因為客戶(hù)的需要。動(dòng)態(tài)式UPS的存在，彌補了電池式UPS的不足，動(dòng)態(tài)式UPS結合自身的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)幾十年不斷的發(fā)展和改進(jìn)，在大功率市場(chǎng)，已經(jīng)獨樹(shù)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，由于其結構簡(jiǎn)單緊湊，可靠性更高，并且隨著(zhù)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(chǎng)，得到了廣泛的應用。

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

一、系統描述

該系統以簡(jiǎn)潔而有效的方式不斷地對市電進(jìn)行過(guò)濾，并保護突發(fā)停電事故。動(dòng)態(tài)式的UPS系統以其獨特的設計理念，為用戶(hù)提供最優(yōu)化的UPS系統，保證用戶(hù)設施的正常運轉。根據燃料供應量的不同，UPS能夠滿(mǎn)足不同時(shí)間長(cháng)短的電源供應。

該系統主要由五個(gè)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(gè)同步電容器，它能保持感應耦合器外轉子(紅色)的轉速。它為負載提供無(wú)功功率，與電抗器結合作為有源濾波器。當市電斷電時(shí)，發(fā)電機先由感應耦合器驅動(dòng)，然后由柴油機驅動(dòng)，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系統的心臟。外轉子(紅色)包含一個(gè)兩極三相線(xiàn)圈， 在市電模式下，它能加快自由轉動(dòng)的內轉子(黃色)的轉速。市電斷電時(shí)，UPS使外轉子的直流線(xiàn)圈通電，藉此取出內轉子儲存的動(dòng)能。柴油機啟動(dòng)并加速到全速運轉或者全功率需要些許時(shí)間，而由內轉子取出的能量足夠滿(mǎn)足這段時(shí)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(shí)，允許感應耦合器轉動(dòng);當柴油機開(kāi)始運轉，并達到感應耦合器/發(fā)電機的轉速時(shí)，離合器會(huì )自動(dòng)接合，柴油機便開(kāi)始驅動(dòng)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(dòng)并迅速加速運轉，確保了機器迅速可靠地啟動(dòng)。

Hitec機組系統結構圖

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(dòng)，柴油機勻進(jìn)行預熱并預先對其進(jìn)行潤滑。只要市電斷電或超出了規定要求范圍，柴油機就會(huì )立即啟動(dòng)，并加速至全速運轉。柴油機啟動(dòng)期間即由感應耦合器提供緊急負載所需能量。整個(gè)轉換時(shí)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(kāi)。電抗器與發(fā)電機相連，它相當于一個(gè)連續濾波器，UPS系統將輸出電壓控制在嚴格的規定范圍內。

系統的其它部分，如開(kāi)關(guān)設備，可以按照客戶(hù)選擇的開(kāi)關(guān)品牌提供。

UPS的操作十分簡(jiǎn)便，可通過(guò)數字式或模擬式的人機交互界面(HMI)進(jìn)行操作該界面可以顯示整個(gè)UPS的運行情況。此外，還可以通過(guò)接線(xiàn)、串聯(lián)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程監測。

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(wú)功功率、柴油機轉速及感應耦合器。 這種通用設計通過(guò)軟件進(jìn)行設置，以滿(mǎn)足所有可能的系統及配置需求。

二、系統運行

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(gè)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(gè)電動(dòng)機運轉， 驅動(dòng)感應耦合器的外轉子， 使其以1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm的速度旋轉。通過(guò)激勵外轉子內的兩極三相線(xiàn)圈，就能使內轉子以3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm相對于外轉子的速度旋轉，這樣就將動(dòng)能儲存在內轉子中。感應耦合器的外轉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定要求范圍， 斷路器Q1就會(huì )斷開(kāi)。感應耦合器的直流線(xiàn)圈就會(huì )通電，從而將儲存的動(dòng)能從內轉子傳遞到外轉子。發(fā)電機的速度會(huì )保持在1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm。同時(shí)，柴油機啟動(dòng)，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(dòng)地結合。在接下來(lái)的幾秒鐘內，柴油機與感應耦合器共同驅動(dòng)發(fā)電機，以確保對緊急負載正常供電。在5到10秒鐘之內，柴油機將單獨驅動(dòng)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(shí)，外轉子內的兩極三相線(xiàn)圈會(huì )再次通電，使得內轉子重新加速至3000(50Hz)/3600(60Hz) rpm。柴油機的速度會(huì )被監測，并進(jìn)行數字化控制，以確保輸出頻率穩定不變。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，因此即使系統遇到負載變動(dòng)幅度較大的情況，系統的輸出頻率也能夠保持在一個(gè)很小的變動(dòng)范圍之內。

④返回市電模式

當市電穩定后，UPS會(huì )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(kāi)。同時(shí)， 發(fā)電機返回到發(fā)動(dòng)機狀態(tài)， 并將感應耦合器的外轉子速度保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。 這時(shí)，柴油機還將在空載狀態(tài)下繼續運轉一些時(shí)間以進(jìn)行冷機。完成冷機后，柴油機會(huì )停止運轉，返回待機模式。

三、系統的優(yōu)勢

1. 無(wú)電池解決方案!

目前。電池式的UPS系統最大的薄弱環(huán)節，就是電池組。統計顯示，大功率的UPS中電池的價(jià)格占很大的比重，一般約占UPS總價(jià)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(dòng)態(tài)式的UPS系統不使用電池，而是用動(dòng)能連接起柴油機啟動(dòng)的時(shí)間。這種系統不會(huì )出現因使用電池而引起的相關(guān)問(wèn)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(dòng)態(tài)式的UPS系統的設計理念更為簡(jiǎn)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(kāi)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系統則將這些功能完全集合在一個(gè)系統中。

VS

柴油機動(dòng)態(tài)式的UPS的構架比電池式UPS更為簡(jiǎn)單

3.在線(xiàn)交互式系統，不使用任何電力電子組件

動(dòng)態(tài)式的UPS系統是在線(xiàn)交互式系統，它與市電并聯(lián)運轉。在線(xiàn)交互式系統的優(yōu)點(diǎn)就在于它將UPS系統與市電并聯(lián)起來(lái)，而不是串聯(lián)即可達到改善市電品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。傳統的電池式UPS系統要不斷地通過(guò)整流器和逆變器轉換電能，如此

易造成共用點(diǎn)的故障，降低系統的效率。除電抗器外，并無(wú)其它電力轉換元件，效率更是高達97%。如果分析空調系統運轉所需的電能，通過(guò)長(cháng)時(shí)間的系統運轉，就能切實(shí)地體會(huì )到動(dòng)態(tài)式UPS系統的節能效應。

4. 電抗器+發(fā)電機=有源濾波器

通過(guò)磁耦合抽頭電抗器(扼流圈)與發(fā)電機結合發(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(chēng)電流的短路電流，與傳統的系統相比，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(huì )在市電模式下排除故障。傳統的電池式UPS系統則被迫轉換到旁路，期望市電能夠排除故障。如果這時(shí)市電停電，負載就會(huì )處于無(wú)保護狀態(tài)，容易發(fā)生負載斷電情況。海泰克的UPS系統在這種情況下不會(huì )轉換至旁路，這一點(diǎn)是不容忽視的。

結論

與傳統的UPS系統相比，動(dòng)態(tài)式的UPS系統有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括節省空間、安裝成本低廉、節省運轉耗電量、不使用空調系統、不使用危害環(huán)境的電池、減少施加在機房上的結構重量、不存在與備用發(fā)電機的兼容性問(wèn)題、可靠性更高、無(wú)需支付更換電池的巨大費用等等。

Hitec整套動(dòng)態(tài)式系統結構圖

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

參考文獻：

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[2]張乃國主編，UPS供電系統應用手冊。—北京：機械工業(yè)出版社，2003.8

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