UPS电源的蓄电池的深度解析

[摘要] UPS电源的蓄电池特点设备的可靠性与多种因素有关,包括电路研制定型水平、技术人员技术水平和经验、器件选用差别、生产工艺水平、质量管理流程等。

  UPS电源的蓄电池的电路结构变化有个技术成熟的过程,当然还包括所选用的器件性能和可靠性对新电路结构的适应能力。所以说电路结构的变化对设备可靠性是有影响的,影响大小最终取决于电路技术成熟程度和器件水平这两个因素。

  1、技术成熟是毋庸置疑

  无变压器UPS采用的新技术主要有两点:一是AC/DC高频整流(PFC)技术;二是输出半桥逆变技术。这两项技术产生由来已久,已成为电力电子设备的经典技术,应用也非常广泛,所以技术成熟程度是毋庸置疑的。虽然把这两项技术集成起来用于无变压器UPS中仅是最近十年的事情,因电路定型水平和参数选择的差异也可能存在设备可靠性问题,但出现可靠性的根本原因却不是电路结构和新技术的应用造成的。

  2、当前器件性能水平完全能够满足新电路结构提出的更高要求

  在无变压器UPS中,对器件性能要求高的环节主要是半桥式逆变器,而关键的参数又是功率开关器件IGBT的耐压(UCES)和输出电流(有效值和峰值)能力,IGBT的输出能力完全可以满足400~500kVA的大功率无输出变压器UPS。

  值得注意的是,在无变压器UPS的半桥逆变电路中,输出电压是由±400V直流母线电压直接形成的,输入电流有效值等于输出电流有效值。而传统的带变压器UPS是通过输出变压器升压形成的,在升压比为1:1.9或1:1.78时,同时考虑三角形/星形接法输出电流有效值是输入有效值的1.73倍,所以全桥逆变器输入电流有效值是输出电流有效值的1.9/1.73=1.1(或1.78/1.73=1.03)倍。数据说明,对同样输出功率的UPS,无输出变压器UPS对IGBT的电流输出能力的要求并不比传统的带输出变压器UPS高。也就是说,从IGBT地电流输出能力来看,能做多大功率的带输出变压器UPS,就可以做多大输出功率的无输出变压器UPS。

  与带输出变压器UPS相比,无输出变压器UPS的逆变器对IGBT的耐压提出了更高的要求。在带输出变压器UPS的全桥逆变器中,IGBT的耐压就是直流母线电压,一般为400多伏,而在无输出变压器UPS地输出半桥逆变器中,直流母线电压是±400V,要求IGBT的耐压要大于800V。虽然当前的器件耐压1200V已不成问题,但此要求不仅仅是静态耐压问题,更严重的是IGBT地开关电压变化率(du/dt)和开关损耗问题,因而这是电路设计和器件选择时必须重视和解决的问题。

  3、输出隔直流问题

  由于控制环节故障使一个IGBT连续导通时,或在一个IGBT或二极管短路的情况下,400V直流母线电压会直接输出到负载端(此时电感变成阻抗很小地导线)。单相负载输入整流后地直流母线额定电压是311V,考虑负载允许输入地+15%地上限,直流母线额定电压是357V,并联在整流电路输出端地滤波电容耐压通常是400V。当UPS发生这种故障时输出直流电压会接近400V,滤波电容和DC/DC变换器都会因输入电压过高而受到影响。

  出现这种情况在理论上是有可能的。然而,如果出现这一危险情况,即使缺少了专门的直流分量检测电路(例如,检测电路故障或参数漂移等),也可以根据从另一个IGBT收到的驱动信号得知,直流电压可能发生短路,从而立即终止逆变器的工作,同时断开逆变器与后面负载的连接。通常逆变器的输出端配备有一个静态旁路开关,它可在逆变器停止工作时迅速将负载切换到旁路市电供电,以保证负载供电的持续进行。逆变器保护和转旁路供电地动作时间很短,可在输出电压上升过程中完成,因而不会对负载安全造成影响。在大量设备的实际运行中,这种故障几乎没有出现过。

  4、无输出变压器UPS的可靠性指标

  如果不知道平均故障间隔时间MTBF,或者厂商提供的MTBF数据不可信的话,那么可用UPS的效率和输出能力各项指标来衡量其可靠性,这些指标包括整机工作效率、输出过载能力、输出电流峰值系数、启动负载时输出电流浪涌系数和负载功率因数等。

  无输出变压器UPS的输出能力和可靠性指标与传统带输出变压器UPS一样,都达到了很高的水平。可靠性已不再是无输出变压器UPS设备的关键问题。

 

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[责任编辑:water]

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