提到柴油機(jī)動態(tài)式不間斷電源UpS，可能很多專業(yè)的UpS電源工程師都很陌生。本文就簡要介紹柴油機(jī)動態(tài)式不間斷電源UpS，使讀者認(rèn)識這項(xiàng)產(chǎn)品，給電源設(shè)計(jì)師在今后的實(shí)際應(yīng)用中多一種選擇的思路。

為了對動態(tài)式的不間斷電源有更深入的認(rèn)識，先了解一下不間斷電源的發(fā)展。

從UpS的發(fā)展歷史來說，經(jīng)歷了兩個階段：旋轉(zhuǎn)(動態(tài))式UpS和靜態(tài)變換(電池式)式UpS。

早期的UpS被稱為旋轉(zhuǎn)式UpS，是由整流器、電池、直流電動機(jī)、柴(汽)油機(jī)、飛輪和發(fā)電機(jī)組成。在市電供電情況下，電動機(jī)帶動飛輪和發(fā)電機(jī)給負(fù)載供電;當(dāng)斷電后，由于飛輪的慣性用途，會繼續(xù)帶動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而使發(fā)電機(jī)能持續(xù)給負(fù)載供應(yīng)電源(電能-動能-電能)，起到緩沖的用途，同時(shí)啟動柴(汽)油機(jī)。當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相連，完成從市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。盡管其維護(hù)簡單，也比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)龐大，操作不便，而且效率低，噪聲大，電力品質(zhì)不高，技術(shù)條件的限制迫使人們采用這種最簡單的解決方法。隨著電腦網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械和精密儀器的不斷涌現(xiàn)和大量應(yīng)用，旋轉(zhuǎn)式UpS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，另一種形式的UpS---靜態(tài)變換式UpS便應(yīng)運(yùn)而生了，這是我們目前最常見到的UpS類型，也是絕大多數(shù)人關(guān)于UpS的概念。

從世界范圍來講，UpS的發(fā)展與應(yīng)用在我國相比較較滯后，這重要還是由于經(jīng)濟(jì)相對落后造成的。近些年，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷壯大，國內(nèi)客戶對UpS的需求逐漸擴(kuò)大。使得UpS得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上，絕大多數(shù)人從一開始接觸和了解的，就是靜止式的電池UpS。談到動態(tài)旋轉(zhuǎn)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(tài)式UpS有那么多的缺點(diǎn)，已經(jīng)基本上被電池式的UpS替代了，那么就沒有必要強(qiáng)調(diào)這個所謂的新的概念了吧。

其實(shí)不然，產(chǎn)品存在的價(jià)值是因?yàn)榭蛻舻囊討B(tài)式UpS的存在，彌補(bǔ)了電池式UpS的不足，動態(tài)式UpS結(jié)合自身的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過幾十年不斷的發(fā)展和改進(jìn)，在大功率市場，已經(jīng)獨(dú)樹一幟，相比較電池式的UpS，單機(jī)功率范圍高，優(yōu)勢明顯，功能強(qiáng)大，具備了集成化的電源解決方法，由于其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性更高，并且隨著功率應(yīng)用的增高，其高效率出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性更加突出。因而在國際上的大功率市場，得到了廣泛的應(yīng)用。

那么，到底什么是動態(tài)式的UpS呢?有什么優(yōu)點(diǎn)呢?下面就處于國際領(lǐng)先地位的荷蘭海泰克電源保護(hù)有限公司典型的動態(tài)式UpS簡述一下。

一、系統(tǒng)描述

該系統(tǒng)以簡潔而有效的方式不斷地對市電進(jìn)行過濾，并保護(hù)突發(fā)停電事故。動態(tài)式的UpS系統(tǒng)以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)理念，為用戶供應(yīng)最優(yōu)化的UpS系統(tǒng)，保證用戶設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)燃料供應(yīng)量的不同，UpS能夠滿足不同時(shí)間長短的電源供應(yīng)。

該系統(tǒng)重要由五個核心部分組成：

⑴同步交流發(fā)電機(jī)。在市電模式下，發(fā)電機(jī)的用途就相當(dāng)于一個同步電容器，它能保持感應(yīng)耦合器外轉(zhuǎn)子(紅色)的轉(zhuǎn)速。它為負(fù)載供應(yīng)無功功率，與電抗器結(jié)合作為有源濾波器。當(dāng)市電斷電時(shí)，發(fā)電機(jī)先由感應(yīng)耦合器驅(qū)動，然后由柴油機(jī)驅(qū)動，供應(yīng)電源給緊急負(fù)載使用。

⑵感應(yīng)耦合器。感應(yīng)耦合器是該產(chǎn)品獨(dú)特設(shè)計(jì)的理念，也是UpS系統(tǒng)的心臟。外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的內(nèi)轉(zhuǎn)子(黃色)的轉(zhuǎn)速。市電斷電時(shí)，UpS使外轉(zhuǎn)子的直流線圈通電，藉此取出內(nèi)轉(zhuǎn)子儲存的動能。柴油機(jī)啟動并加速到全速運(yùn)轉(zhuǎn)或者全功率要些許時(shí)間，而由內(nèi)轉(zhuǎn)子取出的能量足夠滿足這段時(shí)間的能量需求。

⑶自由輪離合器。是感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)之間的機(jī)械橋梁。離合器的用途是：當(dāng)柴油機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，允許感應(yīng)耦合器轉(zhuǎn)動;當(dāng)柴油機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，并達(dá)到感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器會自動接合，柴油機(jī)便開始驅(qū)動感應(yīng)耦合器/發(fā)電機(jī)。這樣，柴油機(jī)就在完全空載的情況下啟動并迅速加速運(yùn)轉(zhuǎn)，確保了機(jī)器迅速可靠地啟動。

Hitec機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑷柴油機(jī)。柴油機(jī)在市電模式下是待機(jī)(停止)狀態(tài)。為確保柴油機(jī)能夠迅速可靠地啟動，柴油機(jī)勻進(jìn)行預(yù)熱并預(yù)先對其進(jìn)行潤滑。只要市電斷電或超出了規(guī)定要求范圍，柴油機(jī)就會立即啟動，并加速至全速運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)啟動期間即由感應(yīng)耦合器供應(yīng)緊急負(fù)載所需能量。整個轉(zhuǎn)換時(shí)間約為5至10秒鐘。

⑸電抗器。電抗器(扼流圈)將市電與負(fù)載分開。電抗器與發(fā)電機(jī)相連，它相當(dāng)于一個持續(xù)濾波器，UpS系統(tǒng)將輸出電壓控制在嚴(yán)格的規(guī)定范圍內(nèi)。

系統(tǒng)的其它部分，如開關(guān)設(shè)備，可以按照客戶選擇的開關(guān)品牌供應(yīng)。

UpS的操作十分簡便，可通過數(shù)字式或模擬式的人機(jī)交互界面(HMI)進(jìn)行操作該界面可以顯示整個UpS的運(yùn)行情況。此外，還可以通過接線、串聯(lián)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(fā)電機(jī)電壓、有功功率及無功功率、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及感應(yīng)耦合器。這種通用設(shè)計(jì)通過軟件進(jìn)行設(shè)置，以滿足所有可能的系統(tǒng)及配置需求。

二、系統(tǒng)運(yùn)行

①市電模式

在市電模式下，電抗器和發(fā)電機(jī)的用途就相當(dāng)于一個有源濾波器，它們能夠防止任何市電干擾影響負(fù)載。發(fā)電機(jī)相當(dāng)于一個電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子，使其以1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm的速度旋轉(zhuǎn)。通過激勵外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈，就能使內(nèi)轉(zhuǎn)子以3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm相關(guān)于外轉(zhuǎn)子的速度旋轉(zhuǎn)，這樣就將動能儲存在內(nèi)轉(zhuǎn)子中。感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子與柴油機(jī)藉由自由輪離合器相互分隔。

②切換為柴油機(jī)模式

當(dāng)發(fā)生停電或市電超出了規(guī)定要求范圍，斷路器Q1就會斷開。感應(yīng)耦合器的直流線圈就會通電，從而將儲存的動能從內(nèi)轉(zhuǎn)子傳遞到外轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)的速度會保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。同時(shí)，柴油機(jī)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(jié)合。在接下來的幾秒鐘內(nèi)，柴油機(jī)與感應(yīng)耦合器共同驅(qū)動發(fā)電機(jī)，以確保對緊急負(fù)載正常供電。在5到10秒鐘之內(nèi)，柴油機(jī)將單獨(dú)驅(qū)動發(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。

③柴油機(jī)模式

當(dāng)機(jī)器處于柴油機(jī)模式時(shí)，外轉(zhuǎn)子內(nèi)的兩極三相線圈會再次通電，使得內(nèi)轉(zhuǎn)子重新加速至3000(50Hz)/3600(60Hz)rpm。柴油機(jī)的速度會被監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)字化控制，以確保輸出頻率穩(wěn)定不變。在柴油機(jī)模式下，由于可以利用感應(yīng)耦合器協(xié)助柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此即使系統(tǒng)遇到負(fù)載變動幅度較大的情況，系統(tǒng)的輸出頻率也能夠保持在一個很小的變動范圍之內(nèi)。

④返回市電模式

當(dāng)市電穩(wěn)定后，UpS會與市電同步，并閉合斷路器Q1。柴油機(jī)將減速至1450(50Hz)/1750(60Hz)rpm，因此自由輪離合器斷開。同時(shí)，發(fā)電機(jī)返回到發(fā)動機(jī)狀態(tài)，并將感應(yīng)耦合器的外轉(zhuǎn)子速度保持在1500(50Hz)/1800(60Hz)rpm。這時(shí)，柴油機(jī)還將在空載狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一些時(shí)間以進(jìn)行冷機(jī)。完成冷機(jī)后，柴油機(jī)會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，返回待機(jī)模式。

三、系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.無電池解決方法!

目前。電池式的UpS系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)，就是電池組。統(tǒng)計(jì)顯示，大功率的UpS中電池的價(jià)格占很大的比重，一般約占UpS總價(jià)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(tài)式的UpS系統(tǒng)不使用電池，而是用動能連接起柴油機(jī)啟動的時(shí)間。這種系統(tǒng)不會出現(xiàn)因使用電池而引起的相關(guān)問題。

2.UpS=電池式UpS+備用發(fā)電機(jī)

與電池式UpS/備用發(fā)電機(jī)相比，動態(tài)式的UpS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念更為簡單有效。電池式UpS+備用發(fā)電機(jī)的方法包含諧波濾波器、整流器、電池組、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、備用發(fā)電機(jī)等組件，而荷蘭海泰克電源保護(hù)有限公司的UpS系統(tǒng)則將這些功能完全集合在一個系統(tǒng)中。

VS

柴油機(jī)動態(tài)式的UpS的構(gòu)架比電池式UpS更為簡單

3.在線交互式系統(tǒng)，不使用任何電力電子組件

動態(tài)式的UpS系統(tǒng)是在線交互式系統(tǒng)，它與市電并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)。在線交互式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)就在于它將UpS系統(tǒng)與市電并聯(lián)起來，而不是串聯(lián)即可達(dá)到改善市電品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電池式UpS系統(tǒng)要不斷地通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能，如此

易造成共用點(diǎn)的故障，降低系統(tǒng)的效率。除電抗器外，并無其它電力轉(zhuǎn)換元件，效率更是高達(dá)97%。假如分析空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電能，通過長時(shí)間的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，就能切實(shí)地體會到動態(tài)式UpS系統(tǒng)的節(jié)能效應(yīng)。

4.電抗器+發(fā)電機(jī)=有源濾波器

通過磁耦合抽頭電抗器(扼流圈)與發(fā)電機(jī)結(jié)合發(fā)揮了有源濾波器的用途，它能夠有效地凈化市電電壓，防止所有的干擾影響負(fù)載。此外，發(fā)電機(jī)能夠供應(yīng)最高至14倍標(biāo)稱電流的短路電流，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，這又是一大重要的優(yōu)勢。假如UpS的下游發(fā)生短路UpS將會在市電模式下排除故障。傳統(tǒng)的電池式UpS系統(tǒng)則被迫轉(zhuǎn)換到旁路，期望市電能夠排除故障。假如這時(shí)市電停電，負(fù)載就會處于無保護(hù)狀態(tài)，容易發(fā)生負(fù)載斷電情況。海泰克的UpS系統(tǒng)在這種情況下不會轉(zhuǎn)換至旁路，這一點(diǎn)是不容忽視的。

結(jié)論

與傳統(tǒng)的UpS系統(tǒng)相比，動態(tài)式的UpS系統(tǒng)有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)省運(yùn)轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的電池、減少施加在機(jī)房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與備用發(fā)電機(jī)的兼容性問題、可靠性更高、無需支付更換電池的巨大費(fèi)用等等。

Hitec整套動態(tài)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品存在的價(jià)值就是客戶的要，動態(tài)式UpS自身結(jié)構(gòu)的原因決定了它只適用于大功率市場。以往選擇備用發(fā)電機(jī)組和電池式UpS的客戶，假如使用的功率足夠大(500KVA以上)的話，可以考慮使用動態(tài)式的UpS，這將是當(dāng)前最佳的選擇。

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