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電池供電時間主要受負載大小、電池容量、環境溫度、電池放電截止電壓等因素影響。一般計算UPS電池供電時間,可以計算出電池放電電流,然后根據電池放電曲線查出其放電時間。電池放電電流可以按以下經驗公式計算: 放電電流=UPS容量(VA)×功率因數/電池放電平均電壓×效率 如要計算實際負載放電時間,只需將UPS容量換為實際負載容量即可。
一般電器負載都會標稱其額定功率或額定電流及功率因數等參數,但由于不同類型的負載差異較大,而總功率不能夠差異較大,故總功率不能夠簡單的相加而應該求其矢量和。好在一般情況下,用戶負載大多為電腦設備,其功率因數在0.8~0.9之間,因此可以將各個負載的額定功率累加求出總功率,而個別其他類型的負載如打印機等,可以按啟動大小將其額定功率乘以一系數再計算進去。根據負載總容量的UPS,一般可以按以下公式選擇:UPS容量>= 負載容量÷0.8,即負載容量應為UPS額定容量的80%以下。選擇80%負載主要是考慮到負載啟動的沖擊電流以及用戶今后擴容的需要。
有一個常見的錯誤概念,認為我們使用的市電,除了偶爾發生的斷電事故,是連續而且恒定的,其實不然。市電系統作為公共電網,上面連接了成千上萬各種各樣的負載,其中一些較大的感性、容性、開關電源等負載不僅從電網中獲得電能,還會反過來對電網本身造成影響,惡化電網或局部電網的供電品質,造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外意外的自然和人為事故,如地震、雷擊、輸變電系統斷路或短路,都會危害電力的正常供應,從而影響負載的正常工作。根據電力專家的測試,電網中經常發生并且對電腦和精密儀器產生干擾或破壞的問題主要有以下幾種:
對于電腦來說,顯示器及主機工作都需要正常的電力供應。尤其是內存,對電源的要求更高。它是一種依賴電能的存儲設備,需要不斷地刷新動作來保持存儲內容。一旦斷電,所保存的內容立即消失。如果非正常斷電,導致內存中的信息來不及保存到硬盤等存儲設備上,就會造成信息因完全丟失或變得不完整而失去價值,從而浪費大量的工作精力、時間、甚至造成巨大的經濟損失。而UNIX這樣的操作系統,如果不正常關機,內存中的系統信息沒有回寫到硬盤上,還可能造成系統崩潰,無法再次啟動。此外,電腦中的硬盤,雖然應用的是磁存儲介質,不會因斷電而損失信息,但突然的電力故障會使正在進行讀寫工作的硬盤物理磁頭損壞,或者系統文件在維護文件系統時,造成文件分配表錯誤,從而造成整個硬盤的報廢。另外,現在的操作系統大都能設置虛擬內存,由于突然的斷電,使系統來不及取消虛擬內存,從而造成硬盤中的“信息碎片”,不僅浪費了硬盤存儲空間,還會導致機器運行緩慢。電腦電源是一種整流電源,過高的電壓可能會造成整流器燒毀。而電壓尖脈沖和暫態過電壓以及電源雜訊等干擾都可能通過整流器進入主機板,影響機器的正常工作,甚至燒毀主機線路。總之,電力問題是計算機工作的重大威脅。但是隨著計算機和網絡應用的日益重要和廣泛,安全可靠的電源已是網絡設計和管理人員不得不認真面對的重要問題。“需要是社會發展的第一推動力”,在這種背景下,UPS(不間斷電源)應運而生,并伴隨電力電子技術的發展,不斷推陳出新,在十數年間,不僅造就了一個嶄新的產業,而且隨著時間的推移更將有蓬勃的發展和燦爛的前景。
UPS不但直接用于計算機上,凡配有計算機的設備(如醫學上的CT、供應站的儀表等)、雷達站、軍事通訊系統、程控電話系統、外科手術室等,均使用UPS代替發電機作后備供電使用。
UPS( Uninterruptible Power System ),即不間斷電源,是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時,UPS 將市電穩壓后供應給負載使用,此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器,同時它還向機內電池充電;當市電中斷( 事故停電 )時, UPS 立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電,使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。
UPS作為保護性的電源設備,它的性能參數具有重要意義,應是我們選購時的考慮重點。市電電壓輸入范圍寬,則表明對市電的利用能力強(減少電池放電)。輸出電壓、頻率范圍小,則表明對市電調整能力強,輸出穩定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩定性,而電壓穩定度則說明當UPS突然由零負載加到滿負載時,輸出電壓的穩定性。
還有UPS效率、功率因數、轉換時間等都是表征UPS性能的重要參數,決定了對負載的保護能力和對市電的利用率。性能越好,保護能力也越強,總的來說,離線式UPS對負載的保護最差,在線互動式略優之,在線式則幾乎可以解決所有的常見電力問題。當然成本也隨著性能的增強而上升。因此用戶在選購UPS時,應根據負載對電力的要求程度及負載的重要性不同,而選取不同類型的UPS。
世界知名UPS廠商在技術選型和將來發展趨勢上都是以高頻為絕對主力方向的,30kVA及以下的UPS都以高頻機為主,這與高頻機負載動態響應速度快,能量密度高,體積小,噪聲小,價格低(特別是小機)有很大關系,特別是高頻機可以做到輸入有源功率因數校正,真正代表將來綠色電源的發展趨勢。
高頻機與工頻機比較
高頻機與工頻機比較而言:尺寸小、重量輕、運行效率高(運行成本低)、噪聲低,適合于辦公場所,性價比高(同等功率下價格低),對空間、環境影響小,相對而言,高頻UPS對復印機、激光打印機和電動機引起的沖擊(SPIKE)和暫態響應(TRANSIENT)易受影響,由于工頻機的變壓器把市電與負載隔離,在市電惡劣的環境下,工頻機比高頻機能提供更安全和可靠的保護,在某些場合如醫療等,要求UPS有隔離裝置,因此,對工業、醫療、交通等應用,工頻機是較好的選擇。兩者的選擇要根據用戶的不同、安裝環境、負載情況等條件權衡考慮。
高頻機不帶隔離變壓器,其輸出中性線存在高頻電流,主要來自市電電網的諧波*、UPS整流器和高頻逆變器脈動電流、負載的諧波*等,其*電壓不僅數值高而且難以消除。而工頻機的輸出地電壓低,而且不存在高頻分量,對于計算機網絡的通信安全來講,更加重要。
高頻機輸出沒有變壓器隔離,如果逆變功率器件發生短路,則直流母線(DCBUS)上的高直流電壓直接加到負載上,這是安全隱患,而工頻機則不存在此問題。
從以上的比對中可以清晰地看出工頻機在很多方面優于高頻機。
對于可靠性要求較高的一些重要、關鍵部位的電源保護方案還應以工頻機為首選。工頻機的特點是簡單,存在的問題是:
電路結構
工頻機與高頻機的概念主要是對整流部分而言,工頻機是可控整流,傳統技術最好可做到12相整流;而高頻機的整流是二極管不控整流十IGBT的高頻直流升壓環節。對逆變器而言都是IGBT的SPWM高頻逆變工作方式(除早期的可控硅逆變工作模式UPS,目前已經淘汰)。另外,工頻機的輸出變壓器必不可少,由于其整流逆變等環節均為降壓環節,因此在輸出側必須有升壓變壓器作為電壓的調整。而高頻機由于具有DC/DC升壓環節,其輸出側不必要加升壓環節(升壓變壓器),對于需要加裝隔離變壓器的現場,高頻機也可按照要求加裝隔離變壓器選件,其作用也由原來的必要配置轉變為可選配置。UPS的電氣結構所以發生了更新變化,主要是由于元器件的發展,IGBT作為UPS的主要功率元件技術更加成熟,無論從容量、結構,還是可靠性上都大大地提高了,加之UPS數字化程度不斷深入促成了新一代大中型UPS的主流結構由原來的工頻機轉向高頻機(正如當年晶閘管逆變器被大功率晶體管GTR取代,之后又被IGBT逆變器取一樣)。UPS電氣結構的更新最直接的效果就是UPS主機體積的縮小,質量的減小,而更重要的是電氣性能的提高。
早期大中型UPS主回路結構采用晶閘管整流將輸人的交流電整為直流,蓄電池直接配置在直流母線上,當輸入市電正常時,靠整流晶閘管的調節對蓄電池充電,同時為GTR或ICBT結構的橋式逆變器供電,逆變器將直流逆變為交流,最后經過輸出變壓器的升壓及濾沒提供純正的交流輸出。從其結構中可以看出,從整流(從交流變為直流)到逆變(在從直流變為交流)的過程中,每個環節都是降壓環節,在此種結構的UPS中,必須在輸出側加入升壓變壓器,將逆變輸出的較低恒定電壓升至合理的輸出范圍,最終提供了恒定的220V/380V輸出。
目前較為先進的UPS主回路結構采用不控整流加升壓環節,將交流輸入通過整流橋全波整流為直流后,采用IGBT元件組成的DC/DC電路升壓到一個較高的恒定直流電壓,并將其作為直流母線,為蓄電池充電電路及逆變輸出部分提供電能。由于直流母線電壓足夠高經過IGBT高頻逆變調整后,可直接得到恒定的逆變輸出電壓,完全可以省掉輸出升壓變壓器。
在上述的兩種UPS結構中,后者在所有功率環節均采用了IGBT技術,因此此種結構的UPS又為全IGBTUPS。由于數字技術的引入,大大提高了IGBT元件的開關頻率,與前者相比,在很多方面具有顯著的優勢。