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UPS不間斷電源 簡談柴油機動態式
- 提到柴油機動態式不間斷電源UPS，可能很多專業的UPS電源工程師都很陌生。本文就簡要介紹柴油機動態式不間斷電源UPS，使讀者認識這項產品，給電源設計師在今后的實際應用中多一種選擇的思路。
提到柴油機動態式不間斷電源UPS，可能很多專業的UPS電源工程師都很陌生。本文就簡要介紹柴油機動態式不間斷電源UPS，使讀者認識這項產品，給電源設計師在今后的實際應用中多一種選擇的思路。
為了對動態式的不間斷電源有更深入的認識，先了解一下不間斷電源的發展。
從UPS的發展歷史來說，經歷了兩個階段：旋轉(動態)式UPS和靜態變換(電池式)式UPS。
早期的UPS被稱為旋轉式UPS，是由整流器、電池、直流電動機、柴(汽)油機、飛輪和發電機組成。在市電供電情況下，電動機帶動飛輪和發電機給負載供電;當斷電后，由于飛輪的慣性作用，會繼續帶動發電機的轉子旋轉，從而使發電機能持續給負載提供電源(電能-動能-電能)，起到緩沖的作用，同時啟動柴(汽)油機。當油機轉速與發電機轉速相同時，油機離合器與發電機相連，完成從市電到油機的轉換。盡管其維護簡單，也比較穩定，但系統龐大，操作不便，而且效率低，噪聲大，電力品質不高，技術條件的限制迫使人們采用這種的解決方案。隨著電腦網絡、醫療器械和精密儀器的不斷涌現和大量應用，旋轉式UPS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術的發展，另一種形式的UPS---靜態變換式UPS便應運而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型，也是絕大多數人對于UPS的概念。
從世界范圍來講，UPS的發展與應用在中國相對比較滯后，這主要還是由于經濟相對落后造成的。近些年，隨著國民經濟的不斷壯大，國內客戶對UPS的需求逐漸擴大。使得UPS得到了廣泛的應用。事實上，絕大多數人從一開始接觸和了解的，就是靜止式的電池UPS。談到動態旋轉式的UPS，對很多人來講，就是一個全新的概念了。這下您就要問了，既然之前提到的動態式UPS有那么多的缺點，已經基本上被電池式的UPS替代了，那么就沒有必要強調這個所謂的新的概念了吧。
其實不然，產品存在的價值是因為客戶的需要。動態式UPS的存在，彌補了電池式UPS的不足，動態式UPS結合自身的優點，經過幾十年不斷的發展和改進，在大功率市場，已經獨樹一幟，相比較電池式的UPS，單機功率范圍高，優勢明顯，功能強大，具備了集成化的電源解決方案，由于其結構簡單緊湊，可靠性更高，并且隨著功率應用的增高，其高效率產生經濟性更加突出。因而在國際上的大功率市場，得到了廣泛的應用。
那么，到底什么是動態式的UPS呢?有什么優點呢?下面就處于地位的荷蘭海泰克電源保護有限公司典型的動態式UPS簡述一下。
一、系統描述
該系統以簡潔而有效的方式不斷地對市電進行過濾，并保護突發停電事故。動態式的UPS系統以其*的設計理念，為用戶提供*化的UPS系統，保證用戶設施的正常運轉。根據燃料供應量的不同，UPS能夠滿足不同時間長短的電源供應。
該系統主要由五個核心部分組成：
⑴同步交流發電機。在市電模式下，發電機的作用就相當于一個同步電容器，它能保持感應耦合器外轉子(紅色)的轉速。它為負載提供無功功率，與電抗器結合作為有源濾波器。當市電斷電時，發電機先由感應耦合器驅動，然后由柴油機驅動，提供電源給緊急負載使用。
?、聘袘詈掀?。感應耦合器是該產品*設計的理念，也是UPS系統的心臟。外轉子(紅色)包含一個兩極三相線圈，在市電模式下，它能加快自由轉動的內轉子(黃色)的轉速。市電斷電時，UPS使外轉子的直流線圈通電，藉此取出內轉子儲存的動能。柴油機啟動并加速到全速運轉或者全功率需要些許時間，而由內轉子取出的能量足夠滿足這段時間的能量需求。
⑶自由輪離合器。是感應耦合器/發電機與柴油機之間的機械橋梁。離合器的作用是：當柴油機處于停止狀態時，允許感應耦合器轉動;當柴油機開始運轉，并達到感應耦合器/發電機的轉速時，離合器會自動接合，柴油機便開始驅動感應耦合器/發電機。這樣，柴油機就在*空載的情況下啟動并迅速加速運轉，確保了機器迅速可靠地啟動。
Hitec機組系統結構圖
⑷柴油機。柴油機在市電模式下是待機(停止)狀態。為確保柴油機能夠迅速可靠地啟動，柴油機勻進行預熱并預先對其進行潤滑。只要市電斷電或超出了規定要求范圍，柴油機就會立即啟動，并加速至全速運轉。柴油機啟動期間即由感應耦合器提供緊急負載所需能量。整個轉換時間約為5至10秒鐘。
?、呻娍蛊鳌ｋ娍蛊?扼流圈)將市電與負載分開。電抗器與發電機相連，它相當于一個連續濾波器，UPS系統將輸出電壓控制在嚴格的規定范圍內。
系統的其它部分，如開關設備，可以按照客戶選擇的開關品牌提供。
UPS的操作十分簡便，可通過數字式或模擬式的人機交互界面(HMI)進行操作該界面可以顯示整個UPS的運行情況。此外，還可以通過接線、串聯或互聯網實現遠程監測。
UPS的控制是由名為DiCon的微處理控制器完成的。DiCon是一種通用的控制器，能夠控制發電機電壓、有功功率及無功功率、柴油機轉速及感應耦合器。這種通用設計通過軟件進行設置，以滿足所有可能的系統及配置需求。
二、系統運行
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在市電模式下，電抗器和發電機的作用就相當于一個有源濾波器，它們能夠防止任何市電干擾影響負載。發電機相當于一個電動機運轉，驅動感應耦合器的外轉子，使其以1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm的速度旋轉。通過激勵外轉子內的兩極三相線圈，就能使內轉子以3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm相對于外轉子的速度旋轉，這樣就將動能儲存在內轉子中。感應耦合器的外轉子與柴油機藉由自由輪離合器相互分隔。
?、谇袚Q為柴油機模式
當發生停電或市電超出了規定要求范圍，斷路器Q1就會斷開。感應耦合器的直流線圈就會通電，從而將儲存的動能從內轉子傳遞到外轉子。發電機的速度會保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。同時，柴油機啟動，并且在約2秒鐘加速至1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm，然后自由輪離合器自動地結合。在接下來的幾秒鐘內，柴油機與感應耦合器共同驅動發電機，以確保對緊急負載正常供電。在5到10秒鐘之內，柴油機將單獨驅動發電機為負載供電。
③柴油機模式
當機器處于柴油機模式時，外轉子內的兩極三相線圈會再次通電，使得內轉子重新加速至3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm。柴油機的速度會被監測，并進行數字化控制，以確保輸出頻率穩定不變。在柴油機模式下，由于可以利用感應耦合器協助柴油機運轉，因此即使系統遇到負載變動幅度較大的情況，系統的輸出頻率也能夠保持在一個很小的變動范圍之內。
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當市電穩定后，UPS會與市電同步，并閉合斷路器Q1。柴油機將減速至1450(50Hz)/1750(60Hz)rpm，因此自由輪離合器斷開。同時，發電機返回到發動機狀態，并將感應耦合器的外轉子速度保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。這時，柴油機還將在空載狀態下繼續運轉一些時間以進行冷機。完成冷機后，柴油機會停止運轉，返回待機模式。
三、系統的優勢
1.無電池解決方案!
目前。電池式的UPS系統最大的薄弱環節，就是電池組。統計顯示，大功率的UPS中電池的價格占很大的比重，一般約占UPS總價格的30%-50%。在返修的UPS中，由于蓄電池的故障而引起UPS不能正常工作的比例大約為1/3。動態式的UPS系統不使用電池，而是用動能連接起柴油機啟動的時間。這種系統不會出現因使用電池而引起的相關問題。
2.UPS=電池式UPS+備用發電機
與電池式UPS/備用發電機相比，動態式的UPS系統的設計理念更為簡單有效。電池式UPS+備用發電機的方案包含諧波濾波器、整流器、電池組、逆變器、靜態開關、備用發電機等組件，而荷蘭海泰克電源保護有限公司的UPS系統則將這些功能*集合在一個系統中。
VS
柴油機動態式的UPS的構架比電池式UPS更為簡單
3.在線交互式系統，不使用任何電力電子組件
動態式的UPS系統是在線交互式系統，它與市電并聯運轉。在線交互式系統的優點就在于它將UPS系統與市電并聯起來，而不是串聯即可達到改善市電品質的優點。傳統的電池式UPS系統要不斷地通過整流器和逆變器轉換電能，如此
易造成共用點的故障，降低系統的效率。除電抗器外，并無其它電力轉換元件，效率更是高達97%。如果分析空調系統運轉所需的電能，通過長時間的系統運轉，就能切實地體會到動態式UPS系統的節能效應。
4.電抗器+發電機=有源濾波器
通過磁耦合抽頭電抗器(扼流圈)與發電機結合發揮了有源濾波器的作用，它能夠有效地凈化市電電壓，防止所有的干擾影響負載。此外，發電機能夠提供最高至14倍標稱電流的短路電流，與傳統的系統相比，這又是一大主要的優勢。如果UPS的下游發生短路UPS將會在市電模式下排除故障。傳統的電池式UPS系統則被迫轉換到旁路，期望市電能夠排除故障。如果這時市電停電，負載就會處于無保護狀態，容易發生負載斷電情況。海泰克的UPS系統在這種情況下不會轉換至旁路，這一點是不容忽視的。
結論
與傳統的UPS系統相比，動態式的UPS系統有許多優勢。這些優勢包括節省空間、安裝成本低廉、節省運轉耗電量、不使用空調系統、不使用危害環境的電池、減少施加在機房上的結構重量、不存在與備用發電機的兼容性問題、可靠性更高、無需支付更換電池的巨大費用等等。
Hitec整套動態式系統結構圖
產品存在的價值就是客戶的需要，動態式UPS自身結構的原因決定了它只適用于大功率市場。以往選擇備用發電機組和電池式UPS的客戶，如果使用的功率足夠大(500KVA以上)的話，可以考慮使用動態式的UPS，這將是當前最佳的選擇。