簡談柴油機(jī)動(dòng)態(tài)式不間斷電源UPS

提到柴油機(jī)動(dòng)態(tài)式不間斷電源UPS，可能很多專業(yè)的UPS電源工程師都很陌生。本文就簡要介紹柴油機(jī)動(dòng)態(tài)式不間斷電源UPS，使讀者認(rèn)識(shí)這項(xiàng)產(chǎn)品，給電源設(shè)計(jì)師在今后的實(shí)際應(yīng)用中多一種選擇的思路。

為了對(duì)動(dòng)態(tài)式的不間斷電源有更深入的認(rèn)識(shí)，先了解一下不間斷電源的發(fā)展。

從UPS的發(fā)展歷史來說，經(jīng)歷了兩個(gè)階段：旋轉(zhuǎn)(動(dòng)態(tài))式UPS和靜態(tài)變換(電池式)式UPS。

早期的UPS被稱為旋轉(zhuǎn)式UPS，是由整流器、電池、直流電動(dòng)機(jī)、柴(汽)油機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)組成。在市電供電情況下，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪和發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電;當(dāng)斷電后，由于飛輪的慣性作用，會(huì)繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使發(fā)電機(jī)能持續(xù)給負(fù)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(jī)。當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相連，完成從市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。盡管其維護(hù)簡單，也比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)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單的解決方案。隨著電腦網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械和精密儀器的不斷涌現(xiàn)和大量應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)式UPS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，另一種形式的UPS---靜態(tài)變換式UPS便應(yīng)運(yùn)而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型，也是絕大多數(shù)人對(duì)于UPS的概念。

從世界范圍來講，UPS的發(fā)展與應(yīng)用在中國相對(duì)比較滯后，這主要還是由于經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后造成的。近些年，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷壯大，國內(nèi)客戶對(duì)UPS的需求逐漸擴(kuò)大。使得UPS得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，絕大多數(shù)人從一開始接觸和了解的，就是靜止式的電池UPS。談到動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)式的UPS，對(duì)很多人來講，就是一個(gè)全新的概念了。這下您就要問了，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，那么就沒有必要強(qiáng)調(diào)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?yàn)榭蛻舻男枰?。?dòng)態(tài)式UPS的存在，彌補(bǔ)了電池式UPS的不足，動(dòng)態(tài)式UPS結(jié)合自身的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展和改進(jìn)，在大功率市場，已經(jīng)獨(dú)樹一幟，相比較電池式的UPS，單機(jī)功率范圍高，優(yōu)勢明顯，功能強(qiáng)大，具備了集成化的電源解決方案，由于其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性更高，并且隨著功率應(yīng)用的增高，其高效率產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性更加突出。因而在國際上的大功率市場，得到了廣泛的應(yīng)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(hù)有限公司典型的動(dòng)態(tài)式UPS簡述一下。

一、系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)以簡潔而有效的方式不斷地對(duì)市電進(jìn)行過濾，并保護(hù)突發(fā)停電事故。動(dòng)態(tài)式的UPS系統(tǒng)以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，為用戶提供最優(yōu)化的UPS系統(tǒng)，保證用戶設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)燃料供應(yīng)量的不同，UPS能夠滿足不同時(shí)間長短的電源供應(yīng)。

該系統(tǒng)主要由五個(gè)核心部分組成：

⑴同步交流發(fā)電機(jī)。在市電模式下，發(fā)電機(jī)的作用就相當(dāng)于一個(gè)同步電容器，它能保持感應(yīng)耦合器外轉(zhuǎn)子(紅色)的轉(zhuǎn)速。它為負(fù)載提供無功功率，與電抗器結(jié)合作為有源濾波器。當(dāng)市電斷電時(shí)，發(fā)電機(jī)先由感應(yīng)耦合器驅(qū)動(dòng)，然后由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供電源給緊急負(fù)載使用。

⑵感應(yīng)耦合器。感應(yīng)耦合器是該產(chǎn)品獨(dú)特設(shè)計(jì)的理念，也是UPS系統(tǒng)的心臟。外轉(zhuǎn)子(紅色)包含一個(gè)兩極三相線圈， 在市電模式下，它能加快自由轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子(黃色)的轉(zhuǎn)速。市電斷電時(shí)，UPS使外轉(zhuǎn)子的直流線圈通電，藉此取出內(nèi)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能。柴油機(jī)啟動(dòng)并加速到全速運(yùn)轉(zhuǎn)或者全功率需要些許時(shí)間，而由內(nèi)轉(zhuǎn)子取出的能量足夠滿足這段時(shí)間的能量需求。

⑶自由輪離合器。是感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)之間的機(jī)械橋梁。離合器的作用是：當(dāng)柴油機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，允許感應(yīng)耦合器轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)柴油機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，并達(dá)到感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器會(huì)自動(dòng)接合，柴油機(jī)便開始驅(qū)動(dòng)感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)。這樣，柴油機(jī)就在完全空載的情況下啟動(dòng)并迅速加速運(yùn)轉(zhuǎn)，確保了機(jī)器迅速可靠地啟動(dòng)。

Hitec機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑷柴油機(jī)。柴油機(jī)在市電模式下是待機(jī)(停止)狀態(tài)。為確保柴油機(jī)能夠迅速可靠地啟動(dòng)，柴油機(jī)勻進(jìn)行預(yù)熱并預(yù)先對(duì)其進(jìn)行潤滑。只要市電斷電或超出了規(guī)定要求范圍，柴油機(jī)就會(huì)立即啟動(dòng)，并加速至全速運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)啟動(dòng)期間即由感應(yīng)耦合器提供緊急負(fù)載所需能量。整個(gè)轉(zhuǎn)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(fù)載分開。電抗器與發(fā)電機(jī)相連，它相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)濾波器，UPS系統(tǒng)將輸出電壓控制在嚴(yán)格的規(guī)定范圍內(nèi)。

系統(tǒng)的其它部分，如開關(guān)設(shè)備，可以按照客戶選擇的開關(guān)品牌提供。

UPS的操作十分簡便，可通過數(shù)字式或模擬式的人機(jī)交互界面(HMI)進(jìn)行操作該界面可以顯示整個(gè)UPS的運(yùn)行情況。此外，還可以通過接線、串聯(lián)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(jī)電壓、有功功率及無功功率、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及感應(yīng)耦合器。 這種通用設(shè)計(jì)通過軟件進(jìn)行設(shè)置，以滿足所有可能的系統(tǒng)及配置需求。

二、系統(tǒng)運(yùn)行

①市電模式

在市電模式下，電抗器和發(fā)電機(jī)的作用就相當(dāng)于一個(gè)有源濾波器，它們能夠防止任何市電干擾影響負(fù)載。發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)， 驅(qū)動(dòng)感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子， 使其以1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm的速度旋轉(zhuǎn)。通過激勵(lì)外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈，就能使內(nèi)轉(zhuǎn)子以3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm相對(duì)于外轉(zhuǎn)子的速度旋轉(zhuǎn)，這樣就將動(dòng)能儲(chǔ)存在內(nèi)轉(zhuǎn)子中。感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)藉由自由輪離合器相互分隔。

②切換為柴油機(jī)模式

當(dāng)發(fā)生停電或市電超出了規(guī)定要求范圍， 斷路器Q1就會(huì)斷開。感應(yīng)耦合器的直流線圈就會(huì)通電，從而將儲(chǔ)存的動(dòng)能從內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞到外轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)的速度會(huì)保持在1500(50Hz)/1800(60Hz) rpm。同時(shí)，柴油機(jī)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(jié)合。在接下來的幾秒鐘內(nèi)，柴油機(jī)與感應(yīng)耦合器共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以確保對(duì)緊急負(fù)載正常供電。在5到10秒鐘之內(nèi)，柴油機(jī)將單獨(dú)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。

③柴油機(jī)模式

當(dāng)機(jī)器處于柴油機(jī)模式時(shí)，外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈會(huì)再次通電，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子重新加速至3000(50Hz)/3600(60Hz) rpm。柴油機(jī)的速度會(huì)被監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)字化控制，以確保輸出頻率穩(wěn)定不變。在柴油機(jī)模式下，由于可以利用感應(yīng)耦合器協(xié)助柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此即使系統(tǒng)遇到負(fù)載變動(dòng)幅度較大的情況，系統(tǒng)的輸出頻率也能夠保持在一個(gè)很小的變動(dòng)范圍之內(nèi)。

④返回市電模式

當(dāng)市電穩(wěn)定后，UPS會(huì)與市電同步，并閉合斷路器Q1。柴油機(jī)將減速至1450(50Hz)/1750(60Hz) rpm，因此自由輪離合器斷開。同時(shí)， 發(fā)電機(jī)返回到發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)， 并將感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子速度保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。 這時(shí)，柴油機(jī)還將在空載狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一些時(shí)間以進(jìn)行冷機(jī)。完成冷機(jī)后，柴油機(jī)會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，返回待機(jī)模式。

三、系統(tǒng)的優(yōu)勢

1. 無電池解決方案!

目前。電池式的UPS系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)，就是電池組。統(tǒng)計(jì)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(tǒng)不使用電池，而是用動(dòng)能連接起柴油機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間。這種系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)因使用電池而引起的相關(guān)問題。

2.UPS = 電池式UPS + 備用發(fā)電機(jī)

與電池式UPS/備用發(fā)電機(jī)相比，動(dòng)態(tài)式的UPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念更為簡單有效。電池式UPS+備用發(fā)電機(jī)的方案包含諧波濾波器、整流器、電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、備用發(fā)電機(jī)等組件，而荷蘭海泰克電源保護(hù)有限公司的UPS系統(tǒng)則將這些功能完全集合在一個(gè)系統(tǒng)中。

VS

柴油機(jī)動(dòng)態(tài)式的UPS的構(gòu)架比電池式UPS更為簡單

3.在線交互式系統(tǒng)，不使用任何電力電子組件

動(dòng)態(tài)式的UPS系統(tǒng)是在線交互式系統(tǒng)，它與市電并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。在線交互式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于它將UPS系統(tǒng)與市電并聯(lián)起來，而不是串聯(lián)即可達(dá)到改善市電品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電池式UPS系統(tǒng)要不斷地通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能，如此

易造成共用點(diǎn)的故障，降低系統(tǒng)的效率。除電抗器外，并無其它電力轉(zhuǎn)換元件，效率更是高達(dá)97%。如果分析空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電能，通過長時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，就能切實(shí)地體會(huì)到動(dòng)態(tài)式UPS系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)。

4. 電抗器+發(fā)電機(jī)=有源濾波器

通過磁耦合抽頭電抗器(扼流圈)與發(fā)電機(jī)結(jié)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(fù)載。此外，發(fā)電機(jī)能夠提供最高至14倍標(biāo)稱電流的短路電流，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)的電池式UPS系統(tǒng)則被迫轉(zhuǎn)換到旁路，期望市電能夠排除故障。如果這時(shí)市電停電，負(fù)載就會(huì)處于無保護(hù)狀態(tài)，容易發(fā)生負(fù)載斷電情況。海泰克的UPS系統(tǒng)在這種情況下不會(huì)轉(zhuǎn)換至旁路，這一點(diǎn)是不容忽視的。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的UPS系統(tǒng)相比，動(dòng)態(tài)式的UPS系統(tǒng)有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)省運(yùn)轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的電池、減少施加在機(jī)房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與備用發(fā)電機(jī)的兼容性問題、可靠性更高、無需支付更換電池的巨大費(fèi)用等等。

Hitec整套動(dòng)態(tài)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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

參考文獻(xiàn)：

[1]Diesel UPS/CPS, Hitec Power Protection bv

[2]張乃國主編，UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊?！本簷C(jī)械工業(yè)出版社，2003.8

[3]湯奕隆，不間斷電源選擇與應(yīng)用，臺(tái)灣中華電信總公司網(wǎng)絡(luò)處，工程師