UPS电压种类和发展动向

1.1   传统的UPS

  一谈到“UPS”,人们通常想到的就是交流不间断供电系统(ACUPS)。由于交流市电供电的普遍性及其不可靠因素的存在,实现交流不间断供电的目的,就是UPS诞生的初衷。

  UPS中的“S”原是System(系统)的字头,意味着要用一些功能比较单一的设备组成一个系统,以实现不间断供电的基本功能。随着技术的发展,单一“设备”就包含了UPS“系统”的完整功能。因而UPS也称为不间断“电源”,那么UPS中的“S”,便理解成为“设备”(Supply)。由于UPS电路设计的进步和发展,新型高效率、高性能的UPS得以开发和应用。

1.2   隐含的UPS

通信电源中的直流供电系统和电力操作用的直流供电系统,都有极高的不间断供电要求,是隐含的直流不间断供电系统(DCUPS)。
这两种系统采用了名称(通信、电力)来明确所对应的技术要求:如电压范围、杂音电压等;其组成系统的设备名称:如整流器、配电屏、组合电源等。使用途更为明确。

  自从城市有电话局以来,就有了通信电源的直流供电系统。采用48V作为标称电压,20、50、100、200A的高频开关整流器(模块)能并联组成3000A,甚至到10000A的系统(功率在600kW以下),其并联、均流、冗余、热插拔、计算机监控技术成熟、可靠。

  直流供电系统的优点是:高度可靠、*小、并联运行容易(只需均流)、能组成功率范围宽广的系统。这就是重要负载采用直流供电和逐渐扩展其应用范围的主要原因。此外,通信局站必须要有48V直流电压作为通信信号传输之用。

  通信电源形成和发展的有利条件:性强、非通信设备不容许接入、电话局专用程控交换机(大型计算机)及其他通信用设备与通信电源有统一的标准,作对口设计。

1.3   给计算机类负载供电的UPS在电压种类上的突破

  在计算机高度集中的重要单位(如新闻机构等),实现更高的可靠性、更小的*是非常必要的,将来采用直流供电系统,达到高性能、高可靠,这是一种理想。见参考文献[2]～[5]。

  改变电压种类,实际上是在采用一种新的供电系统。为了防止与交流系统相混淆,消除危险,要强调不容许任何不符合新系统的负载接入;必须在UPS的名称前边强调其电压种类。这种新系统有其公用性,将来还要经管理机构的认可。

  新提出的用于计算机类负载的按电压分类的UPS有两类,其名称必须加以区分:
  (1)直流不间断供电系统(DCUPS):市电(或备用交流电)供电或蓄电池供电时,UPS都输出直流电压。
  其电压种类与通信、电力的直流系统相同,但电压额定值不同,用途不同。是直流系统应用范围的扩展。
  (2)交流-直流不间断供电系统(AC-DCUPS):这种UPS在市电(或备用交流电)供电时,输出交流电压;而在蓄电池供电时,输出直流电压。
  其特点是在同一组输出电压的端口上,按不定期的“时间分割”,输出交流或直流。这是一种新的、特定的交直流两用供电系统。

2    DCUPS与AC-DCUPS的 负载

2.1   负载设备的容许输入电压

(1)电压种类相适应
DCUPS的负载有两类:一类是直流负载,另一类是交直流两用负载;
而AC-DCUPS的负载是容许交-直流两种电源输入的。

(2)电压额定值相适应
  直流输出时的电压必须与实际负载的输入电路相适应。例如:负载的输入电路中没有输入变压器的整流器负载,其输出电压略小于市电电压的峰值(如:300V),当前台式计算机(无输入功率因数校正的)就是如此,AC-DCUPS直流输出时也应在这个电压容许变化范围之内。
若负载的输入电路是其他电路,则要重新分析,否则难以保证不出现严重事故。

2.2   要提高判别的严格性、科学 性及合理性

  直流供电系统本身具有上述高度可靠等优点,但目前还没有专门用于新供电系统的负载,只能借用原有的对应于交流供电系统而设计制造的负载种类,这就很难保证其严格性、科学性及合理性。

计算机、外设和常用电器能否用于直流系统，要从电路原理、器件的运行状态及环境温度下的运行可靠性等方面作判别、分析和试验。例如:

(1)普通的个人计算机:从电路原理上来讲可以用直流供电,但是从电路器件的工作状态和选用来看,影响的是输入整流桥,用在交流输入时,正半周和负半周分别由两组二极管(轮流)导电,每组二极管通过的平均电流为整流桥输出电流的1/2,四个二极管的发热是均匀的;而用在直流输入时,不再是轮流导电,导电的二极管通过的平均电流为整流桥输出电流的全部,正向功率损耗加倍,PN结的温升增加，这是必须要重视的。

  对于AC-DCUPS来说,若市电停电时间较短(如:3min),二极管的PN结的温度未升高到稳态温度,危险性较小些;对于DCUPS来说,二极管的结温肯定要超过稳态温度。

  此二极管的PN结是否会因温升过高而损坏、缩短寿命、故障率加大?要看原设计所选用器件的功率余量的大小和高温条件下的温升余量的大小,其说明权和是否容许改变运行状态的认可权是在该种计算机的生产厂方,影响到厂方是否履行保修责任。

  由于各种型号计算机的情况是不一致的,用户难以自行确定,风险感难以消除。

(2)打印机能否接入使用?笔者曾测试了一种激光打印机,不带电时的电源输入两端的输入电阻很大,是整流输入的特征,没有输入电源变压器,有交直流两用的可能,但是否还有其他未考虑到的问题,未敢加电试验。

  另外又测试了一种外接电源的喷墨打印机,其电源输入端的直流电阻很小,属于其内部有50Hz电源变压器特点,不能用直流供电,否则立即烧毁。

(3)与计算机连接使用的有源音箱能否接入使用?测试了两种有源音箱的电源输入端,都是低直流电阻的,属于其内部有50Hz电源变压器特点,不能用直流供电。

(4)笔记本电脑的充电器能否接入使用?若有输入50Hz电源变压器的就不能使用。

(5)日光灯(荧光灯)能否接入使用?传统的用镇流器(低频铁心电感)限制电流的，不能用直流供电。用电子镇流器的日光灯则要分析其具体电路，对于高功率因数的日光灯，虽然内部含有开关电源，但要分析其输入和输出功率是否会因输入电压较高(瞬时值始终是300V)而过大。

(6)白炽灯能否接入使用?白炽灯虽然是容许交直流两用的负载设备,但白炽灯按有效值发热、发光,如果直流电压的平均值等于交流电压的有效值(如:220V),则220V的白炽灯能正常运行;如果直流电压的平均值与市电交流电压的峰值(如:300V)一样高,220V的白炽灯立即烧毁。

(7)抗电磁*能力较低的高灵敏度电器内部不采用开关电源,仍采用50Hz变压器来改变电压，如示波器、测试仪器、线性稳压电源、收音机(音响)、异步交流电动机(感应电动机)等,只能用交流电的电器会长期存在。

由此看来,计算机、外设和常用电器能否应用DCUPS或AC-DCUPS都存在有很大的问题和危险。还有许多有关安全的工作要做。

2.3   如何保证系统的安全性

(1)严格判定哪些负载容许接入:要求相应的用电设备的制造厂商判定或修改设计、通过高温试验,并且列入保修条例。在新供电系统推广的初期,要求有足够知识的研究开发人员分析、试验来逐一确认,要求不出现疏漏,实在不容易。

(2)新供电系统的输出端口(插头、插座)与市电端口(插头、插座)不应兼容:做法是设计、生产出新系统的专用插头(或用以固定在原插头上的换接插头)和插座,标以系统的电压名称为“DC插头”、“DC插座”,或“AC-DC插头”、“AC-DC插座”。在负载的电源输入线上“安装”这种专用插头就等于是“授权”,就能接入相应的新系统,这样可防止“未授权”负载的接入。

3    影响成本和效率的因素

3.1   比较成本的因素

(1)DCUPS或AC-DCUPS在市电(或备用交流)停电时,蓄电池可直接向负载供出直流,省去了交流UPS所需的逆变器,这部分的成本就节省了。

(2)高电压(300V等级)的蓄电池组的价格，对于小功率的供电系统来说是缺点。不易找到容量合适的蓄电池,若选用较大容量的蓄电池，成本就提高了。串联后得到300V直流电压需要100多个(例:126个)2.23V的单体蓄电池，其总价格可能要比低压蓄电池的价格高出很多倍,从而使总成本增加,甚至增加很多。

(3)蓄电池的寿命较短(例:5年),电子电路的寿命较长(例:20年)。在设备的使用期间，蓄电池要更换数次，采用价格昂贵的蓄电池组，相应增大了运行费用。

(4)高电压蓄电池组的可靠性降低,需加强维护。例如:126个单体蓄电池中只要有一个蓄电池损坏,就将导致整组电池失效,也很可能意味着整组蓄电池寿命的终结。

3.2   效率与功率损耗

  (1)在计算蓄电池供电期间的系统效率时,蓄电池效率有重要影响,其值为蓄电池放出的电能(功率×时间,即电压×电流×时间)与相应所需输入的电能之比,可分解为蓄电池的容量(安时)效率和电压效率相乘;其值与放电率、充放电电压、温度、时间利用率极低等因素有关,UPS的蓄电池由于停电时间短而选用小容量的蓄电池,放电时的电流相对于蓄电池容量来说是很大的,所以效率很低,常小于70%。为简单起见,粗略的分析以70%估算。

  交流UPS需要虑及逆变器的效率,为简单起见,粗略的分析以80%估算;则系统效率为70%×80%=56%,对比之下,DCUPS与AC-DCUPS省掉了逆变器,也避免了这部分损耗,此时的系统效率主要取决于蓄电池效率(70%),其效率比有逆变器的交流UPS高些(此例中高了1/5);但以下分析得出的结论,这个优势实际上的“可用性”极小。

( 2)交纳电费的依据是电度表的读数(千瓦小时),即电能的消耗。减少电功率损耗,提高效率,都要换算到节约的电能消耗,所以各种工作状态的运行时间是关键因素。

  通常交流UPS的工作特点是相对极少的时间才出现市电(含备用交流电)停电,工作于市电(或备用交流电)供电的运行状态的时间占据UPS总运行时间的绝大多数。例如:一个月按30天计算,共43200min,如果停电3～30min,也不足1/10000～1/1000。也就是说,省掉逆变器提高效率的优势被局限在相对极短的时间里,所以UPS的效率基本上取决于市电(或备用交流电)供电运行状态下的效率。
 
  影响效率的因素很多，应在相同的要求和都采用先进技术的情况下来比较。

  当DCUPS或AC-DCUPS选择不到合适的小容量蓄电池，而用较大容量蓄电池代替时，经常性的泄漏损耗增大，效率可能低于交流UPS。

4    结束语

  随着计算机类负载的广泛应用,在市电中断时,由蓄电池直接供电的不间断供电方案,以高可靠、*小、省去逆变器为其目标是值得重视的,但目前的用电设备都是针对传统交流系统设计的,若改用直流供电而达到可靠运行还要做许多相应的工作。系统由小到大的发展,还要受蓄电池配套及价格的影响。电路的设计不能过分简单,还是要以高性能为主。

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