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      UPS設備的轉換開關

      來源: 2021/8/24 8:12:01??????點擊:

      UPS設備的轉換開關


      作為一種電源設備,UPS設備被廣泛的用在數據中心、金融保險、通訊廣播、民航高鐵、冶金化工等領域中,為計算機服務器等設備提供“不間斷”的電源保障。
        
        1 轉換開關是UPS設備重要組成部分
        
        目前的UPS設備主要分為后備式(圖1)和在線式(圖2),這兩種UPS設備中都含有轉換開關。在后備式UPS設備中,轉換開關用于穩壓后的交流電源與后備電池逆變輸出間的轉換(市電正常時,逆變器處于后備狀態,不工作),其轉換動作時間就是后備式UPS輸出中斷時間。
        
        在線式UPS設備中,轉換開關用于逆變輸出與靜態旁路間的轉換,盡管在沒有輸入電源時,逆變器可以在無中斷的情況下輸出電池組的電能,使得這種UPS設備看似“不間斷”供電,但在跳轉維護旁路供電時,輸出電壓依然會有中斷,其中斷的時間就是轉換開關的轉換動作時間,在線式UPS用的轉換開關一般為電子式的。
        
        由此看出,UPS設備轉換開關的動作快慢,決定了UPS設備供電是否是“不間斷”。
        
        2 UPS設備的轉換開關
        
        (1)相關定義
        
       ?、賃PS開關(一般為空氣開關)用于將UPS或旁路連接到負載或與負載隔離的開關。根據負載對連續供電性能的要求,可以是機械式或電子式(包括熄滅型、電網換相型、自換相型)開關;
        
       ?、谵D換開關用于實現從一個電源到另一個電源間的轉換,由一個或多個開關組成;
        
       ?、坜D換動作時間測定從主電源被監測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間;
        
       ?、茈娏﹄娮娱_關用于電力電子轉換的運行單元,至少包含一個可控電子閥器件;
        
       ?、輽C械式UPS電力開關在正常條件(包括規定的過載運行)下,能夠接通、承載和分斷電流的機械開關裝置。而在非正常條件(如短路)時,可以在規定時間內承載電流;
        
       ?、藁旌鲜経PS電力開關至少由一個可控電子閥器件組成而成,帶有機械分接點的UPS開關。
        
        (2)UPS設備的轉換開關分類
        
        從構成方法形式上,UPS設備的轉換開關可以分為電子式、機械式、機械/電子混合式。
        
        電子式轉換開關(圖3)由兩組雙向可控硅組合而成,其特點是轉換速度快:兩路輸入電源同步時,轉換動作時間<5ms;兩路輸入電源不同步時,轉換動作時間<20ms。其缺點是:①沒有可視的分斷點,不能作隔離使用;②電氣性能差,抗過載能力、短路能力低。其過載能力一般與UPS設備相同,即:125%的負載可承受10min,150%的負載可承受10s;③成本較高;④體積大(加散熱片)。
        
        機械式轉換開關(圖4)的優點就是電氣性能好,抗過載、耐短路能力強;可具有明顯分斷點、能做隔離使用;價格便宜。其缺點就是一個致命的:轉換動作時間長!無法達到UPS設備輸出電源“不間斷連續性”的要求。
        
        依據CBEMA(計算機商用設備制造協會)曲線為依據生產制造的UPS設備,其輸出電壓中斷不能超過1/2周波(2000年后的CBEMA曲線限定為中斷不超過1個周波),按此要求,UPS的轉換開關轉換動作時間必須<10ms(有按新的CBEMA曲線要求<20ms的),這一硬性指標機械式轉換開關很難達到!因此UPS設備中絕大數是采用電子式轉換開關的,只有小型的后備式UPS設備,從成本因素考慮,選擇由繼電器(或接觸器)組成的機械式轉換開關。
        
        混合式轉換開關(圖5)就是把電子式與機械式轉換開關結合在一起,讓他們相互揚長避短,即滿足了開關的轉換動作時間要求,又提高了電氣性能。但因結構復雜、成本昂貴,也沒有什么成熟過硬的產品,因此在UPS設備很少使用。
        
        (3)UPS設備轉換開關的作用
        
        在后備式UPS設備中,轉換開關的作用顯而易見,其轉換動作時間的快慢,直接影響到UPS設備的品質。由于轉換開關選型及成本的原因,致使后備式UPS走小容量、低成本的路線,獨立放置、為臺式機、工業單片機、單板機等計算機設備提供電源。
        
        在線式UPS設備中的轉換開關在①UPS故障時;②維修UPS時;③負載電流轉換(沖擊電流或清除故障電流);④尖峰負載等情況下轉換到維護旁路。
        
        對于在線式UPS設備,其逆變器實時在線工作,提高了UPS設備輸入斷電時電池組迅速放電工作的速度,保證了“不間斷”輸出的同時,也影響了逆變器的使用壽命和增大事故隱患。因此在線式UPS設備必須設有靜態旁路(見圖6),以便逆變器輸出發生問題時,迅速跳轉靜態旁路來保證UPS設備輸出的連續性。這里使用的轉換開關大多是電子式的。
        
        在線式UPS設備被要求一年365天、一天24h的運行工作,逆變器、整流器等使用壽命成了問題。用增設維修旁路來解決。隨之帶來的是轉換開關的隔離功能問題。
        
        (4)UPS設備的旁路及維護
        
        雖然UPS的逆變輸出有靜態旁路,但這個旁路只能作為逆變器、整流器有故障時、確保UPS設備輸出的添加的旁路,不能作為UPS中逆變器、整流器的維護旁路,原因有兩個:①UPS的轉換開關是電子式的,沒有明顯的電氣分斷點,不能作為隔離使用(UPS設備的轉換開關標準《JB/T8453-1996》半導體交流器第5部分不間斷電源設備用開關(UPS開關)中,附錄A2.2.3.2:電子式轉換開關沒有隔離能力);②電子式的轉換開關與逆變器等同為電子元件構成,也是實時在線使用,同樣需要檢修維護。
        
        因此需要對UPS設備增設一個維護旁路(見圖6):
        
        UPS設備在維護旁路狀態,分斷輸入開關、靜態旁路開關、輸出開關之后才能檢修維護UPS設備。當且僅當UPS跳轉靜態旁路后才能閉合維護旁路開關,否則逆變輸出與市電輸入短路了。
        
        3 UPS轉換開關的發展
        
        我國正朝著產品的規范化、標準化方向發展,作為一個系統,UPS要符合《GB7260.1》、《GB7260.2》、《GB7260.3》《GB7260.4》等國家標準;對于組成UPS系統的各個部件,也是盡可能的選用符合國標并能提供3C認證的產品,例如:斷路器、蓄電池等。但現狀是:轉換開關例外!

         轉換開關(TSE)作為一種低壓開關設備,其產品標準《GB14048.11》早在2003年就執行并要求3C認證。遺憾的是目前所有按轉換開關標準生產并取得3C認證的產品,都不能滿足UPS設備的使用要求,即轉換動作時間>20ms。所以現階段UPS設備制造商都是選擇零件組裝轉換開關來實現雙電源轉換功能,嚴格意義上來說,這不是成熟規范的產品。
        
        UPS設備內的轉換開關與配電系統中的雙電源自動轉換開關使用功能相似,可以概括一下UPS設備的轉換開關發展方向:
        
       ?、俎D換動作時間一定要滿足負載的需求。依據現行的CBEMA曲線及由此制訂的美國標準IEEE446,轉換開關的轉換動作時間必須<20ms;
        
       ?、陔S著UPS容量的增大,可提供的短路能量輸出增高,要求轉換開關有較強的短路承受能力;
        
       ?、垭S著計算機負載超大規模集成電路和電容器的應用,負載的容性/感性增強,要求轉換開關的負載應用類別要強;
        
       ?、苻D換開關自身的使用壽命要長;
        
       ?、蒉D換開關自身要有旁路隔離-在線維護功能。
        
        高速轉換開關是一種新型的轉換開關,除了以往的完成雙電源轉換功能外,保留機械式轉換開關的抗短路能力高、過載能力強、適用于感性、容性、阻性混合負載的優點,最突出的是引入了“轉換動作時間”這一重要的技術參數。一般來說,高速轉換開關的轉換動作時間都在20ms以內。使用旁路/隔離式高速轉換開關的UPS設備,可以大大簡化系統構成(圖7)。
        
        機械式轉換開關具有可視分斷點,能夠起隔離作用。旁路/隔離式轉換開關(圖8)就是對轉換開關增加了維護旁路,而且維護旁路開關與轉換開關間有可靠的機械/電氣互鎖:當且僅當轉換開關接于市電輸入時,才能閉合上旁路開關,確保了市電輸入不會與逆變輸入短路。
        
        使用了旁路/隔離式轉換開關后的優點:①可將UPS設備的靜態旁路、維護旁路合二為一,節省了制造成本;②UPS的逆變器、整流器等電子設備和轉換開關的機械設備可以分別進行維護;③大大降低系統復雜度,減小設備體積;④轉換開關屬于3C認證產品,標準化生產可靠性高,質量問題可追溯性強;⑤超強抗過載能力。
        
        目前世界各國都在努力的研發機械式的高速轉換開關。我國已經有企業能做到250A的容量(對應著120kVA的UPS設備)。若機械式高速轉換開關能做到630A、800A,在配以旁路/隔離功能,勢必會更改在線式UPS、后備式UPS和穩壓電源的市場格局。
        
        參考文獻
        
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        [2]艾默生網絡能源有限公司等.GB7260.1-2008不間斷電源設備.第1-1部分:操作人員觸及區使用的UPS的一般規定和安全要求.北京:國家質檢總局,2008.
        
        [3]上海電器科學研究所(集團)有限公司等.GB7260.2-2009不間斷電源設備(UPS).第2部分:電磁兼容性(EMC)要求[s],中華人民共和國國家標準,2009.
        
        [4]青島整流器股份有限公司等.GB7260.3-2003不間斷電源設備(UPS).第3部分:確定性能的方法和試驗要求[s],中華人民共和國國家標準,2003.
        
        [5]艾默生網絡能源有限公司等.GB7260.4-2008不間斷電源設備(UPS).第1-2部分:限制觸及區使用的UPS的一般規定和安全要求[s],中華人民共和國國家標準,2008.
        
        [6]上海電器科學研究院.GB/T14048.11-2016低壓開關設備和控制設備.第6-1部分:多功能電器轉換開關電器[S].北京:中國標準出版社,2016.


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