科华电池-浅谈动态UPS的发展历程（上）

1 概述

　　UPS领域内近年来一直争论不休的一个问题:静止变换式UPS和飞轮储能式UPS,哪种模式更适用于数据中心?

　　在飞轮储能式中的惯量方程式为

　　式中:J为飞轮转动的惯量,ω为飞轮旋转的角速度。

　　可以在停电后利用飞轮的惯性储能带动发电机继续向计算机供电5s,以满足将当时的计算结果放入内存。于是就形成了在电动发电机同轴上加装飞轮的方案。在1967年我国为一研究所进口了一台“1900”计算机,配套的供电设备就是一台20kVA容量的UPS,如图1所示。这就是第一代UPS(Uninterruptible Power Supply)。所以UPS的问世就是为了保护计算机的程序不被破坏,因此UPS又有计算机孪生兄弟的美称。令人遗憾的是由于飞轮地转速太慢，只有1500r/min(频率为50Hz时)1800r/min(频率为60Hz时)，所以需要飞轮的重量要非常大。如图1所示，20kVA就需要配5T的飞轮，那么400kVA就要配100T的巨大飞轮，这显然是不经济的，而且为了这区区5s更是令人乍舌。

　幸好的是上个60年代可控硅(晶闸管)整流器问世了,这种半控器件可以调整输出电压的高低。于是专家们就以此推出了可以延长发电机在市电停电后的供电时间。其结构原理如图2所示。可控硅整流器输出电压给电池组充电和驱动直流电动机,以此带动同轴上的同步交流发电机为计算机供电,市电停电时蓄电池组就可继续维持直流电动机的旋转,使发电机不间断地向计算机供电。通过适当配置蓄电池组的容量就可以满足计算机各种后备时段的要求。随着可控硅整流器产品的进一步成熟,UPS制造商又推出了可控硅逆变器,代替了笨重的电动机和发电机。然而由于逆变电路是全桥结构所以输出的三根线都是火线,而用户实际用的是具有零线的三相四线制电压,必须加一个“Δ-Y”变压器才能投入使用。所以工频机UPS中的输出隔离变压器就是为了这个目的而加入的。时至今日这只“Δ-Y”变压器还牢牢地存在于工频机UPS体内。此外,由于工频机UPS工作在工业频率又有输出变压器,所以效率不足90%,六脉冲控制的可控硅整流器又是破坏电网波形的天然杀手,又必须加装谐波滤波器更导致效率下降。

其实动态UPS有着很多鲜为人知的优点。近年来,在国内外的数据中心、半导体芯片制造业、某些特种军用通信系统及政府的机要部门正日益关注和选用,其优点为:

　　①更进一步地提高UPS的效率。相关的资料显示,可将UPS的效率从工频机静态UPS的90%左右提高到飞轮UPS的98%;

　　②可将故障率明显偏高的蓄电池部件从UPS中彻底取消。不仅有助于提高UPS的可靠性,还可以大幅度地减少电源值班人员的维修工作量;

　　③由于动态UPS主要是金属结构,相对于静态UPS而言不太受温度环境的影响。可靠性明显提高;

　　④维护周期长,寿命长。减轻了维护人员的工作量。

动态UPS使用受阻还有一个原因,那就是飞轮储能的时间太短,只有15s。这和几十分钟(>1000s)配备电池组的静态UPS比起来,在时间上有天渊之别。也就是说和人们习惯认定的时间相差甚远,使用户望之却步。因此有的UPS制造商又在这方面开动脑筋。推出后备时间更长的动态UPS。图7就是德国PILLER公司推出的一款利用油机作为后备的长延时动态UPS。这个系统的结构由三部分组成,Q1第一路是市电经电感滤波后送入AC/AC稳压器,再过作电动机旋传的同步补偿发电机(G/M)给重要负载供电;同时内部的储能飞轮作飞速旋转,开始除能;第二路是Q4,这一路是一般的常用UPS结构,它的作用是对第一路的输出电压进行功率补偿;第三路Q6,在正常情况下开始首连负载由市电直接供电,当第一和第二路输出实现与市电同步锁相后断路器Q5闭合。当市电断电或异常时Q1、Q4、Q5和Q6断开,同步补偿发电机(G/M)在储能飞轮的带动下转为同步发电机。另外一路Q2是众所周知的自动旁路,一旦系统过载或主机系统出现问题,负载就被直接接通市电。