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UPS电源未来的发展动态
发布时间:2010-9-20  浏览次数:1117 次  来源:上海愈翼电气科技有限公司

市场需求和技术变革是推动UPS电源发展的两大动力,由于新的技术和工艺的不断推出和采用,UPS电源的技术性能得到明显的改进和提高。本文简要介绍了目前主流UPS电源所采用的技术和UPS电源的发展动态。

  随着计算机网络技术、全球化通信技术和高精尖的精密加工工业的发展,对电源的要求越来越高。而在线式UPS电源可向用户的负载提供纯洁、稳压、无频率突变(稳频)、抗干扰和波形失真极小的全天候高质量正弦波,满足了对电源高质量、高可靠性的需求。

  UPS电源要完成的主要任务是向用户的关键设备,如互联网的数据中心、银行的清算中心和通存通取网控系统、证券交易及期货贸易系统等提供高质量的、无时间中断的交流电源。随着网络应用的逐渐普及,特别是互联网规模的日趋扩大,UPS电源在网络与电子商务飞速发展的年代里迎来了它的黄金时期。网络时代的UPS电源产品已经由独立的外设产品发展成为整个计算机和网络系统不可分割的一部分。与此同时对UPS电源自动化、智能化和网络化的要求也越来越高,这种需求为UPS的蓬勃发展奠定了基础,并为UPS电源提供了广阔的使用空间。

  目前UPS电源的发展主要有以下特点。

  1、绿色无污染。采用配置有输入功率因数校正的高频脉宽调制技术,采用这种技术的UPS电源输入功率因数一般都可被提高到0.99以上,可使UPS电源的输入电压和输入电流在几乎同相位的条件下,其输入电流波形也呈现为正弦波。这样,就可在大大提高对电能利用率的同时,消除传统的UPS电源对市电电网所产生的谐波干扰和污染,加强抗电磁干扰能力,降低辐射干扰,从而引出绿色无污染UPS电源的新概念。此外,高频脉宽调制技术在UPS电源的整流滤波电路上的利用,大大提高了UPS电源对市电电网电压波动的适应能力。传统的UPS电源允许的市电电压的范围可以波动20%,然而采用高频脉宽调制技术的UPS的市电输入范围可达25%左右。

  2、智能化。可在微机/计算机网络的各种监视平台上实时监视UPS电源的运行。利用这种控制功能可在微机/计算机网络终端上实时监视UPS电源的运行参数(如:输入/输出的电压、电流和频率,UPS蓄电池组的充放电,UPS电源的输出功率及有关的故障/报警信息)。此外还可在微机/计算机网络终端上对UPS电源的输出执行定时的自动开机/关机操作。为实现上述功能,在目前市售的较先进的UPS电源上可向用户提供RS232,RS485通信接口。对于要求能执行计算机网控管理功能的UPS来说,还应配置简单网络管理协议(SNMP)适配器或适配卡。

  3、小型化。由于功率器件的工作频率的提高,在UPS电源中采用体积更小、重量较轻的高频铁氧体磁芯变压器来代替硅钢片变压器,特别是在小型UPS电源中普遍采用无逆变器输出变压器设计方案后,使得小型UPS电源得以向体积小、重量轻、噪音小的方向发展。开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积。在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能。

  4、高可靠性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命影响着电源的寿命。所以应尽可能使用较少的器件,以提高集成度。要从结构设计方面着眼,注意器件的布局和散热。采用模块化方式可方便用户扩容和管理,同时也便于安装和维修,只需在原来的机箱里增加一个或几个模块,模块之间互相形成热备份并可带电插拔。

  5、高效率。PWM开关控制变换器运行的频率范围一般为30~50kHz,在这个范围内,整个系统无论体积、重量、效率、可靠性和价格都基本实现了最佳。但是,PWM开关技术的固有缺陷限制了PWM型开关电源的进一步高频化。主要表现在:

  (1)在开关器件导通和断开过程中,电压电流重叠产生开关损耗,即开关损耗随开关频率的提高而增大;

  (2)电路的寄生电感和寄生电容在高频时产生严重的电压尖峰(spirevoltage)和浪涌电流(surgecurrent)。尖峰电压和浪涌电流将导致开关应力增大,有可能损坏开关器件,是电源噪声的主要来源。一般需要接入吸收回路加以消除,但吸收回路会消耗能量,降低电源的效率。实质上,电力开关变换器在高频化时需要着重解决的两大问题是:实现开关器件的零电压或零电流开关条件,以尽可能减小开关损耗,消除开关浪涌。于是出现了谐振式变换器。与PWM变换器相比,谐振式变换器具有诸多优点。首先,寄生参数被纳入谐振元件后,大大降低了电路中的di/dt或dv/dt,储存在寄生电感和寄生电容中的能量可以通过谐振回馈到电网中,而不至被耗散掉。其次,开关损耗明显减小。再者,由于谐振波形与方波相比,谐振分量大大减少,因此,减小了变换器中的电磁干扰(EMI)。

  6、完善的电池管理。为提高UPS电源中的蓄电池的使用效率和延长使用寿命,引入以微处理器监控技术为主的电池管理系统,从而使电池监控系统变得更加完善。对电池的充电采用双重保护系统,配置有防止电池被过压充电和被过流充电的具有先恒流后恒压充电特性的充电电路。利用微处理器对UPS电源的实际后备供电时间进行可编程的定时自动检测和预报。在小型UPS电源中,一般利用位于前面板上的由发光二极管(LED)所构成的电池充电容量百分比显示器来观察电池的充电状态。当电池放电时,利用该电池剩余容量百分比模拟显示器来形象化地向用户展示电池组的实际运行状态。

  7、并联运行的分布电源系统。电源技术的发展方向之一是并联运行的分布电源系统。并联技术是实现大功率电源系统的关键技术,因为用多个开关电源模块并联,可以灵活地组合成分布式电源,由于各个模块的高密度,使整个电源体积重量下降,模块中半导体器件的电流应力小,提高了系统的可靠性。同时通过N+1、N+2冗余可以获得容错(fault-tolerant)冗余功率,当电源系统中1个或2个模块失效时,系统还可以提供100%负载功率,并可以实现热更换(hotplug-in),即在系统输出不间断情况下,更换其中的失效模块。

  8、控制电路的数字化。模拟系统存在元器件数量大、分散性强、不利于生产与调试的缺点,且具有漂移、老化等不良特性,系统可靠性难以提高。而高档微处理器和数字信号处理器(DSP)的数字化控制,则具有很强的数据、逻辑运算能力,可以实现一些复杂的先进算法和智能算法,这些功能在模拟系统中是不敢企及的。

  DSP技术的优势在于具有良好的自我诊断功能,能迅速地排除故障,大幅度地减少零件的数量,从而大大降低因元器件而造成的系统故障,提高其可靠性,并且运算控制更简单、准确、完美,同时DSP技术的引入也极大地推动了并联技术的发展。采用数字控制的系统则很容易实现与计算机网络的通讯,可以通过网络对关键器件进行有效的监视,对已发生的故障有冗余措施处理。随着高速、廉价的数字信号处理器DSP的出现,在线式UPS电源全数字化的实现已经成为可能。全数字化更易实现计算机的处理和控制,避免模拟信号传递的畸变、失真,减少杂散信号的干扰,便于软件包的调试和遥控,也便于自诊断、容错等技术的植入。由于将网络通讯和电源监控软件调控技术进行了完善的结合,全数字化在线式UPS电源将成为UPS电源发展的一种趋势。

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