UPS行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施與我國UPS現(xiàn)狀
YD/T1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)自2001年批準(zhǔn)執(zhí)行以來,至今已有6年。在1996年底原郵電部對通信電源實(shí)行進(jìn)網(wǎng)管理時(shí),UPS還沒有通信行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),對UPS進(jìn)網(wǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)主要引用了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14715-93《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用技術(shù)條件》,此標(biāo)準(zhǔn)是UPS產(chǎn)品的通用技術(shù)條件(以下簡稱“通用技術(shù)條件”),由于當(dāng)時(shí)我國UPS技術(shù)開發(fā)和制造業(yè)處于起步階段,無論是技術(shù)水平或單機(jī)容量與國外產(chǎn)品相比尚存在較大的差距。而且市場上銷售的小容量UPS幾乎都是為PC機(jī)供電,所以在“通用技術(shù)條件”中沒有對輸入功率因數(shù)、輸入諧波電流、輸出穩(wěn)壓精度以及輸出電流峰值系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)作出相應(yīng)的規(guī)定。
YD/T1095-2000的制定,主要是根據(jù)通信行業(yè)的負(fù)載特點(diǎn)提出了不同程度的要求。對UPS的輸入技術(shù)參數(shù)的確定主要根據(jù)有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償?shù)奶匦?并沒有考慮到三相六脈波基本電路的輸入?yún)?shù)。為了便于通信局、站電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控,對UPS提出了應(yīng)具有遙測、遙信功能,并對遙測、遙信內(nèi)容做了相應(yīng)的規(guī)定。與此同時(shí),也注意到一些用于非重要場合如辦公室自動化、各單位內(nèi)局域網(wǎng)及服務(wù)器的供電對小容量(10kVA以下)UPS的一般要求,在標(biāo)準(zhǔn)中把與此相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)分為三類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類),Ⅰ類指標(biāo)可滿足上述高端用戶在重要場合下運(yùn)行的要求。而Ⅲ類指標(biāo)可達(dá)到在非重要場合下運(yùn)行的一般要求,Ⅱ類指標(biāo)介于Ⅰ類與Ⅲ類之間,可供用戶根據(jù)負(fù)載特性及使用環(huán)境來綜合選擇。
2004年3月,通信電源由進(jìn)網(wǎng)管理正式轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證的行業(yè)管理,此標(biāo)準(zhǔn)作為UPS產(chǎn)品檢驗(yàn)的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證現(xiàn)場檢查的部分依據(jù)。在產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證的初期,申請認(rèn)證的UPS均為雙變換(在線)式,這種形式的大功率UPS(100kVA以上)基本上都是國外品牌產(chǎn)品,其中部分UPS的輸入主電路采用了先進(jìn)的IGBT(PWM)整流技術(shù),輸入功率因數(shù)可達(dá)0.99以上,輸入電流諧波含量小于5%。采用三相12脈波整流器配置無源11次諧波濾波器的UPS滿載輸入功率因數(shù)也可達(dá)到0.95以上,輸入電流諧波含量低于10%。即便是三相6脈波整流器配置無源5次諧波濾波器的UPS,其上述兩項(xiàng)指標(biāo)也優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類技術(shù)要求。以上幾種形式輸入電路的UPS整機(jī)轉(zhuǎn)換效率均可≥90%,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時(shí)間一般都可做到無間斷轉(zhuǎn)換或1ms(毫秒)左右的轉(zhuǎn)換時(shí)間,符合標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類與Ⅱ類的技術(shù)要求。
對于國產(chǎn)小功率(尤其是20kVA以下)的UPS,變換技術(shù)和主電路結(jié)構(gòu)各具不同,目前一般可分為雙變換(在線)式、互動式和后備式三種。所采用的變換技術(shù)可分為高頻或工頻變換。電路結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的變換技術(shù)也各不相同,其中高頻雙變換(在線)式(以下簡稱高頻在線式)UPS無工頻變壓器,在整流器與逆變器之間設(shè)有一級高頻DC/DC變換電路,其主要功能是對交流輸入端進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC),如采用連續(xù)電流控制方案可將輸入功率因數(shù)提高至0.98左右,輸入諧波電流含量可控制在10%以內(nèi),轉(zhuǎn)換效率一般大于88%,甚至更高,雖然過載能力較差一些,但也能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類技術(shù)要求。其它主要技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)有著較好的符合性。
與高頻機(jī)相比,工頻變換尤其單相輸入的UPS(簡稱工頻機(jī))在以上幾項(xiàng)主要技術(shù)要求中表現(xiàn)欠佳。由于工頻機(jī)沒有輸入功率因數(shù)補(bǔ)償功能,所以其輸入功率因數(shù)PF只能達(dá)到0.7左右,根據(jù)功率因數(shù)PF與諧波電流含量(THD)的關(guān)系式:
THD(I)=√(1/PF)2-1 可計(jì)算出輸入諧波電流含量THD(I)將達(dá)到100%,實(shí)際測量的結(jié)果也是如此,也就是說在其輸入端產(chǎn)生的諧波電流的有效值與基波電流有效值相同。如此大的諧波電流無疑要對電網(wǎng)及與電網(wǎng)并聯(lián)的其它用電設(shè)備造成不同程度的傳導(dǎo)干擾,另一方面還要占有交流輸入電源的一部分容量,在諧波電流流過的導(dǎo)線及熔斷器上將產(chǎn)生無用的有功功率,并全部轉(zhuǎn)換為熱量使導(dǎo)線及熔斷器的溫升增大。另一方面輸出容量在10～20kVA工頻機(jī)的轉(zhuǎn)換效率一般只能做到85%左右,甚至更低,所以上述幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的要求。工頻機(jī)的過載能力較強(qiáng),一般可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類技術(shù)要求,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時(shí)間與高頻機(jī)相比無明顯差異。
由于這種UPS裝有工頻變壓器,所以無論是整機(jī)重量或制造成本與高頻機(jī)相比都比較高。以一臺效率為85%的10kVA工頻機(jī)帶70%的負(fù)載為例,與效率為90%的同容量高頻機(jī)在同樣的條件下運(yùn)行一年所消耗的電量相比,工頻機(jī)比高頻機(jī)多消耗近4000度電。由于上述原因,再加之2005年至2007年原材料價(jià)格上漲,這也是導(dǎo)致工頻機(jī)在國內(nèi)市場占有率逐漸下降的原因之一。
一些多年生產(chǎn)工頻機(jī)的企業(yè)面對市場需求與行業(yè)的監(jiān)督管理,一方面著手引進(jìn)或開發(fā)高頻變換技術(shù),而另一方面對現(xiàn)有工頻機(jī)的輸入功率因數(shù)和輸入諧波電流采取機(jī)外補(bǔ)償?shù)拇胧５捎醚a(bǔ)償措施后的工頻機(jī)很難適應(yīng)市場的要求。
面對上述小功率工頻UPS存在的問題,一方面要對市場(用戶)采取積極正確的引導(dǎo)措施,電網(wǎng)運(yùn)營及通信行業(yè)主管部門對廣大用戶和UPS生產(chǎn)企業(yè)積極地進(jìn)行節(jié)能環(huán)保的宣傳。另一方面技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要加大對此類產(chǎn)品的監(jiān)督力度,只有這樣才能加快這些高能耗且對電網(wǎng)嚴(yán)重污染的UPS從國內(nèi)市場上退出。
互動式UPS可為一般負(fù)載(主要是辦公自動化的計(jì)算機(jī)等)提供較為穩(wěn)定可靠的供電。此種UPS的輸出容量一般在5kVA以下,其電路結(jié)構(gòu)比較簡單,主變換電路只有一個(gè)可雙向變換的變換器,當(dāng)市電電壓在負(fù)載允許變化的范圍內(nèi)時(shí),市電通過UPS內(nèi)部帶有多路抽頭的穩(wěn)壓器直接對負(fù)載供電,同時(shí)其內(nèi)部的變換器以AC/DC整流方式對蓄電池充電;當(dāng)市電電壓的變化范圍超過負(fù)載要求時(shí),其內(nèi)部的穩(wěn)壓器通過多路抽頭的切換將UPS的輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載允許范圍內(nèi)。如果市電停電或電壓、頻率超過UPS的允許范圍,此時(shí)UPS的工作方式將轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài),其內(nèi)部的變換器以DC/AC逆變方式將蓄電池的直流電壓變換為交流220V正弦波或準(zhǔn)方波電壓繼續(xù)為負(fù)載供電。另有一些互動式UPS無論工作在哪種狀態(tài),其變換器的控制電路始終檢測并跟蹤著市電交流電壓的頻率和相位,以滿足兩種工作方式在同頻率同相位狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換的要求。
互動式UPS具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、正常工作時(shí)過載能力強(qiáng)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也存在一些不足之處,由于其輸入端只有高頻無源濾波電路而沒有功率因數(shù)補(bǔ)償功能,所以非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流幾乎完全由交流電網(wǎng)提供,因而對交流電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波傳導(dǎo)干擾,反之,來自交流電網(wǎng)的各種干擾也會直接影響負(fù)載的正常工作。在市電供電時(shí),其輸出電壓的穩(wěn)定性決定于市電的波動性與其內(nèi)部穩(wěn)壓電路的抽頭數(shù)量以及兩抽頭間電壓變化量。當(dāng)抽頭數(shù)量較少且兩抽頭間繞組匝數(shù)較多時(shí),穩(wěn)壓電路在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)會出現(xiàn)輸出電壓過高或過低的現(xiàn)象。只要將抽頭數(shù)量適當(dāng)增加,輸出電壓便可穩(wěn)定在一個(gè)變化較小的范圍內(nèi),雖然其穩(wěn)壓性能較上述雙變換式UPS差一些,但也可以滿足一般負(fù)載的要求。由于電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),這種UPS沒有旁路轉(zhuǎn)換功能,在DC/AC逆變器進(jìn)入供電狀態(tài)之前,必須使輸入主電路與市電電網(wǎng)分離,避免逆變器向市電電網(wǎng)反向供電。所以互動式UPS的市電與電池的轉(zhuǎn)換時(shí)間不會比上述雙變換UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間快。但一般可小于10ms,較快的可做到7ms左右,這對一般的計(jì)算機(jī)不會影響其正常運(yùn)行。互動式UPS雖然沒有雙變換UPS的隔離功能與輸入功率因數(shù)補(bǔ)償,但是由于容量小對交流電網(wǎng)的諧波干擾也較小,正常工作時(shí)只有穩(wěn)壓器的鐵損和銅損,所以轉(zhuǎn)換效率很高(可達(dá)98%)。這種UPS較適用于交流電網(wǎng)供電質(zhì)量較好的條件下工作,其主要作用是防止交流電網(wǎng)瞬間短時(shí)間掉電或因前級交流配電故障突然停電而丟失未存儲的數(shù)據(jù)。
目前由于對通信電源行業(yè)管理的需要,互動式與后備式UPS也納入對電源產(chǎn)品實(shí)行的質(zhì)量認(rèn)證所涵蓋的產(chǎn)品,但目前還沒有一個(gè)能與之相適應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為互動式與后備式UPS產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及現(xiàn)場檢查的依據(jù)。雖然“通用技術(shù)條件”中一些技術(shù)要求項(xiàng)目能與互動式UPS相符合,但是由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)UPS的技術(shù)狀況,這些技術(shù)要求的高低和與之相對應(yīng)的試驗(yàn)方法也不能適應(yīng)目前對互動式UPS技術(shù)指標(biāo)的質(zhì)量檢驗(yàn)。對后備式UPS而言也同樣存在此問題,也就是說“通用技術(shù)條件”中的試驗(yàn)方法不具備互動式UPS檢驗(yàn)的可操作性。
近幾年來由于用戶對雙變換在線式UPS運(yùn)行可靠性要求的不斷提高,國內(nèi)外UPS生產(chǎn)廠家分別推出了單機(jī)柜冗余式UPS。這種形式的UPS系統(tǒng)是由若干個(gè)小功率(3～5kVA)的模塊UPS在系統(tǒng)機(jī)架上并聯(lián)組成,每個(gè)模塊都具有雙變換在線式UPS的電路結(jié)構(gòu)與基本功能,系統(tǒng)的監(jiān)控單元可對所有模塊UPS實(shí)施統(tǒng)一管理。
此種形式UPS系統(tǒng)的可靠性及可用性與上述單機(jī)柜無冗余UPS相比有了較大的提高。由于這種UPS的系統(tǒng)是由若干個(gè)小功率的模塊UPS組成,所以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率有可能低于同等容量UPS單機(jī)的效率,而且其輸入功率因數(shù)與諧波電流的補(bǔ)償是在每個(gè)模塊UPS上實(shí)現(xiàn)的,可能會使整機(jī)硬件成本加大。由于單機(jī)柜冗余式UPS的監(jiān)控單元要控制幾個(gè)或十幾個(gè)模塊UPS,使其輸出電壓均等,跟蹤電網(wǎng)頻率與相位,并使故障模塊迅速退出系統(tǒng)及旁路轉(zhuǎn)換的一致性等,會使控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與技術(shù)較為復(fù)雜。在電磁兼容性方面也要做一些特殊考慮。
由于多方面原因,目前我國大多數(shù)UPS制造廠家在中、大容量(80kVA以上)UPS的自主設(shè)計(jì)、制造能力與美國和歐洲相比還處于較落后的水平。這主要和我國基礎(chǔ)工業(yè)(機(jī)械與電子工業(yè))的平均水平有關(guān),現(xiàn)在國內(nèi)雖然有少數(shù)UPS制造企業(yè)也能制造出50～80kVA或容量更大的三相UPS,但就其部件及整機(jī)的制造工藝水平還沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)的水平。輸入主電路的技術(shù)水平一般停留在三相6脈波形式,或在每相交流輸入電路中串聯(lián)帶有鐵心的電感,以此來減小輸入諧波電流含量,這樣雖然在輸出額定負(fù)載時(shí)輸入諧波電流含量可達(dá)到20%左右,輸入功率因數(shù)一般不會超過0.9,轉(zhuǎn)換效率很難達(dá)到90%。如果要進(jìn)一步提高上述技術(shù)指標(biāo)可考慮配置12脈波整流器,但是80kVA以下的UPS配置12脈波整流器會使整機(jī)價(jià)格增加較大,性能價(jià)格比較差而失去價(jià)格競爭力。而國內(nèi)市場對國產(chǎn)大容量UPS價(jià)格水平的認(rèn)可度較低,所以國產(chǎn)大容量UPS一時(shí)很難找到合適的市場切入點(diǎn)。
多數(shù)UPS生產(chǎn)廠家對大容量UPS復(fù)雜的控制及保護(hù)電路技術(shù)的掌握程度和設(shè)計(jì)水平,目前還未達(dá)到能自主靈活設(shè)計(jì)的程度,在這方面可能也存在一些控制電路專用芯片的所有權(quán)問題。另有一些UPS制造商是以從國外進(jìn)口零部件在國內(nèi)組裝貼國內(nèi)品牌參與市場競爭,還有一些UPS制造商只購進(jìn)主要零部件,在國內(nèi)完成整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并經(jīng)組裝調(diào)試后成為自有品牌的產(chǎn)品。近十幾年來由于我國通信及信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,為大容量UPS提供了一個(gè)巨大的市場,大容量UPS的設(shè)計(jì)與制造水平可以作為衡量電力電子工業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)狀況的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我國對大容量UPS關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)充分發(fā)揮國內(nèi)研發(fā)能力較強(qiáng)的UPS生產(chǎn)企業(yè)、具有功率電子學(xué)研究與試驗(yàn)?zāi)芰Φ母咝Ｔ囼?yàn)室及專業(yè)技術(shù)人員的作用,電源學(xué)會與行業(yè)協(xié)會發(fā)揮技術(shù)指導(dǎo)與社會協(xié)調(diào)等作用。同時(shí)也要不斷提高我國基礎(chǔ)工業(yè)的平均水平。
而對于已執(zhí)行了6年的YD/1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)面對目前國內(nèi)用戶所使用的UPS的種類,該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品覆蓋范圍已不能完全滿足通信行業(yè)質(zhì)量監(jiān)督管理的要求與用戶對產(chǎn)品性能質(zhì)量優(yōu)劣判定的依據(jù)。所以在對YD/1095-2000的修訂工作中,不但要考慮到此標(biāo)準(zhǔn)對通信行業(yè)內(nèi)大多數(shù)UPS產(chǎn)品種類的覆蓋性,而且對標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求指標(biāo)的分類也應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。關(guān)于輸入功率因數(shù)與諧波電流成分指標(biāo)的分類,建議應(yīng)參考高頻機(jī)的輸入?yún)?shù)與12脈波整流器以及IGBT(PWM)整流或其它輸入方式的技術(shù)指標(biāo)。為避免現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中“輸出功率因數(shù)”與UPS制造商和用戶的習(xí)慣說法混淆,而且UPS在驅(qū)動整流非線性負(fù)載時(shí),其輸出功率因數(shù)與輸出電流峰值系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的,都同時(shí)表現(xiàn)了UPS對整流非線性負(fù)載的驅(qū)動能力,所以只保留輸出電流峰值系數(shù)一項(xiàng)即可。對于其它的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法的調(diào)整和修改將會廣泛地征求業(yè)內(nèi)外技術(shù)專家、生產(chǎn)廠家及行業(yè)用戶的寶貴意見。
總而言之,產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要跟蹤產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動態(tài)及市場的需求,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是使產(chǎn)品功能兼容、質(zhì)量保證及促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的必要保障。
YD/T1095-2000的制定,主要是根據(jù)通信行業(yè)的負(fù)載特點(diǎn)提出了不同程度的要求。對UPS的輸入技術(shù)參數(shù)的確定主要根據(jù)有源補(bǔ)償與無源補(bǔ)償?shù)奶匦?并沒有考慮到三相六脈波基本電路的輸入?yún)?shù)。為了便于通信局、站電源系統(tǒng)的集中監(jiān)控,對UPS提出了應(yīng)具有遙測、遙信功能,并對遙測、遙信內(nèi)容做了相應(yīng)的規(guī)定。與此同時(shí),也注意到一些用于非重要場合如辦公室自動化、各單位內(nèi)局域網(wǎng)及服務(wù)器的供電對小容量(10kVA以下)UPS的一般要求,在標(biāo)準(zhǔn)中把與此相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)分為三類(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類),Ⅰ類指標(biāo)可滿足上述高端用戶在重要場合下運(yùn)行的要求。而Ⅲ類指標(biāo)可達(dá)到在非重要場合下運(yùn)行的一般要求,Ⅱ類指標(biāo)介于Ⅰ類與Ⅲ類之間,可供用戶根據(jù)負(fù)載特性及使用環(huán)境來綜合選擇。
2004年3月,通信電源由進(jìn)網(wǎng)管理正式轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證的行業(yè)管理,此標(biāo)準(zhǔn)作為UPS產(chǎn)品檢驗(yàn)的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證現(xiàn)場檢查的部分依據(jù)。在產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證的初期,申請認(rèn)證的UPS均為雙變換(在線)式,這種形式的大功率UPS(100kVA以上)基本上都是國外品牌產(chǎn)品,其中部分UPS的輸入主電路采用了先進(jìn)的IGBT(PWM)整流技術(shù),輸入功率因數(shù)可達(dá)0.99以上,輸入電流諧波含量小于5%。采用三相12脈波整流器配置無源11次諧波濾波器的UPS滿載輸入功率因數(shù)也可達(dá)到0.95以上,輸入電流諧波含量低于10%。即便是三相6脈波整流器配置無源5次諧波濾波器的UPS,其上述兩項(xiàng)指標(biāo)也優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ類技術(shù)要求。以上幾種形式輸入電路的UPS整機(jī)轉(zhuǎn)換效率均可≥90%,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時(shí)間一般都可做到無間斷轉(zhuǎn)換或1ms(毫秒)左右的轉(zhuǎn)換時(shí)間,符合標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類與Ⅱ類的技術(shù)要求。
對于國產(chǎn)小功率(尤其是20kVA以下)的UPS,變換技術(shù)和主電路結(jié)構(gòu)各具不同,目前一般可分為雙變換(在線)式、互動式和后備式三種。所采用的變換技術(shù)可分為高頻或工頻變換。電路結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的變換技術(shù)也各不相同,其中高頻雙變換(在線)式(以下簡稱高頻在線式)UPS無工頻變壓器,在整流器與逆變器之間設(shè)有一級高頻DC/DC變換電路,其主要功能是對交流輸入端進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC),如采用連續(xù)電流控制方案可將輸入功率因數(shù)提高至0.98左右,輸入諧波電流含量可控制在10%以內(nèi),轉(zhuǎn)換效率一般大于88%,甚至更高,雖然過載能力較差一些,但也能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅲ類技術(shù)要求。其它主要技術(shù)指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)有著較好的符合性。
與高頻機(jī)相比,工頻變換尤其單相輸入的UPS(簡稱工頻機(jī))在以上幾項(xiàng)主要技術(shù)要求中表現(xiàn)欠佳。由于工頻機(jī)沒有輸入功率因數(shù)補(bǔ)償功能,所以其輸入功率因數(shù)PF只能達(dá)到0.7左右,根據(jù)功率因數(shù)PF與諧波電流含量(THD)的關(guān)系式:
THD(I)=√(1/PF)2-1 可計(jì)算出輸入諧波電流含量THD(I)將達(dá)到100%,實(shí)際測量的結(jié)果也是如此,也就是說在其輸入端產(chǎn)生的諧波電流的有效值與基波電流有效值相同。如此大的諧波電流無疑要對電網(wǎng)及與電網(wǎng)并聯(lián)的其它用電設(shè)備造成不同程度的傳導(dǎo)干擾,另一方面還要占有交流輸入電源的一部分容量,在諧波電流流過的導(dǎo)線及熔斷器上將產(chǎn)生無用的有功功率,并全部轉(zhuǎn)換為熱量使導(dǎo)線及熔斷器的溫升增大。另一方面輸出容量在10～20kVA工頻機(jī)的轉(zhuǎn)換效率一般只能做到85%左右,甚至更低,所以上述幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的要求。工頻機(jī)的過載能力較強(qiáng),一般可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ類技術(shù)要求,逆變至旁路轉(zhuǎn)換時(shí)間與高頻機(jī)相比無明顯差異。
由于這種UPS裝有工頻變壓器,所以無論是整機(jī)重量或制造成本與高頻機(jī)相比都比較高。以一臺效率為85%的10kVA工頻機(jī)帶70%的負(fù)載為例,與效率為90%的同容量高頻機(jī)在同樣的條件下運(yùn)行一年所消耗的電量相比,工頻機(jī)比高頻機(jī)多消耗近4000度電。由于上述原因,再加之2005年至2007年原材料價(jià)格上漲,這也是導(dǎo)致工頻機(jī)在國內(nèi)市場占有率逐漸下降的原因之一。
一些多年生產(chǎn)工頻機(jī)的企業(yè)面對市場需求與行業(yè)的監(jiān)督管理,一方面著手引進(jìn)或開發(fā)高頻變換技術(shù),而另一方面對現(xiàn)有工頻機(jī)的輸入功率因數(shù)和輸入諧波電流采取機(jī)外補(bǔ)償?shù)拇胧５捎醚a(bǔ)償措施后的工頻機(jī)很難適應(yīng)市場的要求。
面對上述小功率工頻UPS存在的問題,一方面要對市場(用戶)采取積極正確的引導(dǎo)措施,電網(wǎng)運(yùn)營及通信行業(yè)主管部門對廣大用戶和UPS生產(chǎn)企業(yè)積極地進(jìn)行節(jié)能環(huán)保的宣傳。另一方面技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要加大對此類產(chǎn)品的監(jiān)督力度,只有這樣才能加快這些高能耗且對電網(wǎng)嚴(yán)重污染的UPS從國內(nèi)市場上退出。
互動式UPS可為一般負(fù)載(主要是辦公自動化的計(jì)算機(jī)等)提供較為穩(wěn)定可靠的供電。此種UPS的輸出容量一般在5kVA以下,其電路結(jié)構(gòu)比較簡單,主變換電路只有一個(gè)可雙向變換的變換器,當(dāng)市電電壓在負(fù)載允許變化的范圍內(nèi)時(shí),市電通過UPS內(nèi)部帶有多路抽頭的穩(wěn)壓器直接對負(fù)載供電,同時(shí)其內(nèi)部的變換器以AC/DC整流方式對蓄電池充電;當(dāng)市電電壓的變化范圍超過負(fù)載要求時(shí),其內(nèi)部的穩(wěn)壓器通過多路抽頭的切換將UPS的輸出電壓穩(wěn)定在負(fù)載允許范圍內(nèi)。如果市電停電或電壓、頻率超過UPS的允許范圍,此時(shí)UPS的工作方式將轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài),其內(nèi)部的變換器以DC/AC逆變方式將蓄電池的直流電壓變換為交流220V正弦波或準(zhǔn)方波電壓繼續(xù)為負(fù)載供電。另有一些互動式UPS無論工作在哪種狀態(tài),其變換器的控制電路始終檢測并跟蹤著市電交流電壓的頻率和相位,以滿足兩種工作方式在同頻率同相位狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換的要求。
互動式UPS具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、正常工作時(shí)過載能力強(qiáng)、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也存在一些不足之處,由于其輸入端只有高頻無源濾波電路而沒有功率因數(shù)補(bǔ)償功能,所以非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流幾乎完全由交流電網(wǎng)提供,因而對交流電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波傳導(dǎo)干擾,反之,來自交流電網(wǎng)的各種干擾也會直接影響負(fù)載的正常工作。在市電供電時(shí),其輸出電壓的穩(wěn)定性決定于市電的波動性與其內(nèi)部穩(wěn)壓電路的抽頭數(shù)量以及兩抽頭間電壓變化量。當(dāng)抽頭數(shù)量較少且兩抽頭間繞組匝數(shù)較多時(shí),穩(wěn)壓電路在調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)會出現(xiàn)輸出電壓過高或過低的現(xiàn)象。只要將抽頭數(shù)量適當(dāng)增加,輸出電壓便可穩(wěn)定在一個(gè)變化較小的范圍內(nèi),雖然其穩(wěn)壓性能較上述雙變換式UPS差一些,但也可以滿足一般負(fù)載的要求。由于電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),這種UPS沒有旁路轉(zhuǎn)換功能,在DC/AC逆變器進(jìn)入供電狀態(tài)之前,必須使輸入主電路與市電電網(wǎng)分離,避免逆變器向市電電網(wǎng)反向供電。所以互動式UPS的市電與電池的轉(zhuǎn)換時(shí)間不會比上述雙變換UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間快。但一般可小于10ms,較快的可做到7ms左右,這對一般的計(jì)算機(jī)不會影響其正常運(yùn)行。互動式UPS雖然沒有雙變換UPS的隔離功能與輸入功率因數(shù)補(bǔ)償,但是由于容量小對交流電網(wǎng)的諧波干擾也較小,正常工作時(shí)只有穩(wěn)壓器的鐵損和銅損,所以轉(zhuǎn)換效率很高(可達(dá)98%)。這種UPS較適用于交流電網(wǎng)供電質(zhì)量較好的條件下工作,其主要作用是防止交流電網(wǎng)瞬間短時(shí)間掉電或因前級交流配電故障突然停電而丟失未存儲的數(shù)據(jù)。
目前由于對通信電源行業(yè)管理的需要,互動式與后備式UPS也納入對電源產(chǎn)品實(shí)行的質(zhì)量認(rèn)證所涵蓋的產(chǎn)品,但目前還沒有一個(gè)能與之相適應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為互動式與后備式UPS產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及現(xiàn)場檢查的依據(jù)。雖然“通用技術(shù)條件”中一些技術(shù)要求項(xiàng)目能與互動式UPS相符合,但是由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)UPS的技術(shù)狀況,這些技術(shù)要求的高低和與之相對應(yīng)的試驗(yàn)方法也不能適應(yīng)目前對互動式UPS技術(shù)指標(biāo)的質(zhì)量檢驗(yàn)。對后備式UPS而言也同樣存在此問題,也就是說“通用技術(shù)條件”中的試驗(yàn)方法不具備互動式UPS檢驗(yàn)的可操作性。
近幾年來由于用戶對雙變換在線式UPS運(yùn)行可靠性要求的不斷提高,國內(nèi)外UPS生產(chǎn)廠家分別推出了單機(jī)柜冗余式UPS。這種形式的UPS系統(tǒng)是由若干個(gè)小功率(3～5kVA)的模塊UPS在系統(tǒng)機(jī)架上并聯(lián)組成,每個(gè)模塊都具有雙變換在線式UPS的電路結(jié)構(gòu)與基本功能,系統(tǒng)的監(jiān)控單元可對所有模塊UPS實(shí)施統(tǒng)一管理。
此種形式UPS系統(tǒng)的可靠性及可用性與上述單機(jī)柜無冗余UPS相比有了較大的提高。由于這種UPS的系統(tǒng)是由若干個(gè)小功率的模塊UPS組成,所以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率有可能低于同等容量UPS單機(jī)的效率,而且其輸入功率因數(shù)與諧波電流的補(bǔ)償是在每個(gè)模塊UPS上實(shí)現(xiàn)的,可能會使整機(jī)硬件成本加大。由于單機(jī)柜冗余式UPS的監(jiān)控單元要控制幾個(gè)或十幾個(gè)模塊UPS,使其輸出電壓均等,跟蹤電網(wǎng)頻率與相位,并使故障模塊迅速退出系統(tǒng)及旁路轉(zhuǎn)換的一致性等,會使控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與技術(shù)較為復(fù)雜。在電磁兼容性方面也要做一些特殊考慮。
由于多方面原因,目前我國大多數(shù)UPS制造廠家在中、大容量(80kVA以上)UPS的自主設(shè)計(jì)、制造能力與美國和歐洲相比還處于較落后的水平。這主要和我國基礎(chǔ)工業(yè)(機(jī)械與電子工業(yè))的平均水平有關(guān),現(xiàn)在國內(nèi)雖然有少數(shù)UPS制造企業(yè)也能制造出50～80kVA或容量更大的三相UPS,但就其部件及整機(jī)的制造工藝水平還沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)的水平。輸入主電路的技術(shù)水平一般停留在三相6脈波形式,或在每相交流輸入電路中串聯(lián)帶有鐵心的電感,以此來減小輸入諧波電流含量,這樣雖然在輸出額定負(fù)載時(shí)輸入諧波電流含量可達(dá)到20%左右,輸入功率因數(shù)一般不會超過0.9,轉(zhuǎn)換效率很難達(dá)到90%。如果要進(jìn)一步提高上述技術(shù)指標(biāo)可考慮配置12脈波整流器,但是80kVA以下的UPS配置12脈波整流器會使整機(jī)價(jià)格增加較大,性能價(jià)格比較差而失去價(jià)格競爭力。而國內(nèi)市場對國產(chǎn)大容量UPS價(jià)格水平的認(rèn)可度較低,所以國產(chǎn)大容量UPS一時(shí)很難找到合適的市場切入點(diǎn)。
多數(shù)UPS生產(chǎn)廠家對大容量UPS復(fù)雜的控制及保護(hù)電路技術(shù)的掌握程度和設(shè)計(jì)水平,目前還未達(dá)到能自主靈活設(shè)計(jì)的程度,在這方面可能也存在一些控制電路專用芯片的所有權(quán)問題。另有一些UPS制造商是以從國外進(jìn)口零部件在國內(nèi)組裝貼國內(nèi)品牌參與市場競爭,還有一些UPS制造商只購進(jìn)主要零部件,在國內(nèi)完成整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并經(jīng)組裝調(diào)試后成為自有品牌的產(chǎn)品。近十幾年來由于我國通信及信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展,為大容量UPS提供了一個(gè)巨大的市場,大容量UPS的設(shè)計(jì)與制造水平可以作為衡量電力電子工業(yè)的現(xiàn)有技術(shù)狀況的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我國對大容量UPS關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)充分發(fā)揮國內(nèi)研發(fā)能力較強(qiáng)的UPS生產(chǎn)企業(yè)、具有功率電子學(xué)研究與試驗(yàn)?zāi)芰Φ母咝Ｔ囼?yàn)室及專業(yè)技術(shù)人員的作用,電源學(xué)會與行業(yè)協(xié)會發(fā)揮技術(shù)指導(dǎo)與社會協(xié)調(diào)等作用。同時(shí)也要不斷提高我國基礎(chǔ)工業(yè)的平均水平。
而對于已執(zhí)行了6年的YD/1095-2000《通信用不間斷電源-UPS》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)面對目前國內(nèi)用戶所使用的UPS的種類,該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品覆蓋范圍已不能完全滿足通信行業(yè)質(zhì)量監(jiān)督管理的要求與用戶對產(chǎn)品性能質(zhì)量優(yōu)劣判定的依據(jù)。所以在對YD/1095-2000的修訂工作中,不但要考慮到此標(biāo)準(zhǔn)對通信行業(yè)內(nèi)大多數(shù)UPS產(chǎn)品種類的覆蓋性,而且對標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)要求指標(biāo)的分類也應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。關(guān)于輸入功率因數(shù)與諧波電流成分指標(biāo)的分類,建議應(yīng)參考高頻機(jī)的輸入?yún)?shù)與12脈波整流器以及IGBT(PWM)整流或其它輸入方式的技術(shù)指標(biāo)。為避免現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中“輸出功率因數(shù)”與UPS制造商和用戶的習(xí)慣說法混淆,而且UPS在驅(qū)動整流非線性負(fù)載時(shí),其輸出功率因數(shù)與輸出電流峰值系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的,都同時(shí)表現(xiàn)了UPS對整流非線性負(fù)載的驅(qū)動能力,所以只保留輸出電流峰值系數(shù)一項(xiàng)即可。對于其它的技術(shù)要求與試驗(yàn)方法的調(diào)整和修改將會廣泛地征求業(yè)內(nèi)外技術(shù)專家、生產(chǎn)廠家及行業(yè)用戶的寶貴意見。
總而言之,產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要跟蹤產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動態(tài)及市場的需求,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是使產(chǎn)品功能兼容、質(zhì)量保證及促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的必要保障。
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