UPS電源針對(duì)電機(jī)類(lèi)負(fù)載的適應(yīng)性設(shè)計(jì)

 在一些需要保證負(fù)載不斷電的應(yīng)用場(chǎng)合里面,，有時(shí)客戶(hù)會(huì)發(fā)現(xiàn)UPS頻繁出現(xiàn)DC BUS高保護(hù)，或者負(fù)功保護(hù)等,。一些客戶(hù)會(huì)據(jù)此認(rèn)為是UPS的質(zhì)量問(wèn)題,。實(shí)際上多數(shù)情況下這都是由于后面帶有電機(jī)類(lèi)負(fù)載產(chǎn)生的現(xiàn)象。在工業(yè)場(chǎng)合中,，電機(jī)是一種主要的負(fù)載形式,。當(dāng)工業(yè)應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)必需有足夠高的電源保護(hù)等級(jí)時(shí)，UPS與電機(jī)類(lèi)負(fù)載的配合問(wèn)題就是一個(gè)要重點(diǎn)考慮的因素,。

通常UPS的設(shè)計(jì)初衷是保護(hù)關(guān)鍵IT類(lèi)設(shè)備,，在電路結(jié)構(gòu)上就主要基于IT類(lèi)設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如目前IT設(shè)備的主要是使用開(kāi)關(guān)電源,，歐盟法規(guī)規(guī)定75W以上的設(shè)備都要具備功率因數(shù)校正,。UPS主要面對(duì)的就是帶有功率因數(shù)校正的負(fù)載，在通常情況下其特性是一個(gè)功率因數(shù)接近于1的恒功率負(fù)載,。在大功率電氣設(shè)備方面,，還有一些舊的設(shè)備在使用，這些設(shè)備通常是基于6脈波整流或者12脈波整流技術(shù),，特點(diǎn)是一個(gè)恒功率的非線性整流負(fù)載,。

無(wú)論是帶有PFC的開(kāi)關(guān)電源，還是脈波整流電源,，其功率的實(shí)部都只能是正的,，能量不會(huì)反灌回市電，在UPS的設(shè)計(jì)中更加重視的是在恒功率負(fù)載下的可靠性,，以及在帶有非線性的整流性負(fù)載時(shí)的諧波控制能力,，以及電壓穩(wěn)態(tài)精度與動(dòng)態(tài)恢復(fù)速度,，而不會(huì)特別要求具有能量回饋的能力。特別是在UPS帶有大量智能化的設(shè)計(jì)之后,，往往會(huì)把能量從負(fù)載回饋到UPS的直流母線作為一種故障狀態(tài)來(lái)對(duì)待,。在帶有電機(jī)類(lèi)負(fù)載的時(shí)候，電機(jī)再生發(fā)電產(chǎn)生的能量很容易觸發(fā)UPS的保護(hù)條件,。

另一方面,，UPS在電路架構(gòu)上常用的結(jié)構(gòu)是整流+電池升壓+逆變器的結(jié)構(gòu)，很大一部分UPS的整流和電池升壓部分都是使用Boost或者變形的電路,，能量?jī)H能從市電和電池流動(dòng)到直流母線上,，而不能反向流動(dòng)。這樣軟件上允許能量回饋,，當(dāng)發(fā)生能量回饋時(shí)，由于能量都儲(chǔ)存在直流母線上,，造成直流母線升高,，終仍然會(huì)導(dǎo)致UPS跳脫保護(hù)。

電機(jī)負(fù)載的特性與IT設(shè)備常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源完全不同,，表現(xiàn)為具有啟動(dòng)/制動(dòng)等諸多工作狀態(tài),，隨著電機(jī)后面所帶負(fù)載的不同會(huì)有非常大的差異，完全不像IT類(lèi)開(kāi)關(guān)電源那樣只有帶載/卸載,。具體的解決方案也需要考慮電機(jī)后面所帶負(fù)載的情況分別進(jìn)行處理,。

電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有很高的瞬態(tài)沖擊，如果沒(méi)有額外的輔助措施,，就需要UPS電源能夠在瞬時(shí)供應(yīng)非常大的功率,。針對(duì)IT設(shè)備設(shè)計(jì)UPS一般僅僅是根據(jù)短時(shí)間內(nèi)2倍功率設(shè)計(jì)，而有的UPS則是僅有1.5倍,。對(duì)于再大功率的負(fù)載,，軟件限流算法或者硬件的限流線路就會(huì)發(fā)生作用，從而影響電機(jī)啟動(dòng),。好在UPS一般都設(shè)計(jì)有Line Support功能,，當(dāng)負(fù)載功率大時(shí)能夠通過(guò)旁路供電來(lái)解決。在電池模式下,，無(wú)法通過(guò)旁路分擔(dān)功率,，就存在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程異常的可能。為此對(duì)于瞬間供應(yīng)電流的能力非常關(guān)鍵的場(chǎng)合,，就需要選擇更大功率的UPS,。

電機(jī)在制動(dòng)時(shí)具有能量再生，此時(shí)回饋的能量并不僅是電機(jī)本身儲(chǔ)存的能量,，還可能包含了電機(jī)后面連接的負(fù)載所具有的慣性以及勢(shì)能所儲(chǔ)存的能量,。以電梯為例,，當(dāng)電梯上升時(shí)需要電機(jī)提供能量，而當(dāng)電梯下降時(shí)如果電梯的重量超過(guò)下降過(guò)程中的阻力,，就會(huì)成為一個(gè)發(fā)電設(shè)備,，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，這樣再生出來(lái)的電力就有可能反灌回UPS,。

在帶有電機(jī)的應(yīng)用中還有一個(gè)因素需要加以考慮,，就是變頻調(diào)速裝置。不同的變頻調(diào)速裝置對(duì)于UPS系統(tǒng)的影響也是不一樣的,。

在輸入端是一個(gè)六脈波整流以及附加的直流或者交流側(cè)濾波器,，而在直流母線上連接有制動(dòng)電阻。當(dāng)電機(jī)發(fā)生能量回饋時(shí),，變頻器的直流母線會(huì)被充高,。在直流母線達(dá)到預(yù)設(shè)的電壓點(diǎn)時(shí)，通過(guò)開(kāi)通制動(dòng)電阻控制來(lái)消耗掉回饋的能量,。這種做法是目前工業(yè)界普遍的方式,，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)變頻器就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的非線性整流負(fù)載,，與IT類(lèi)負(fù)載非常接近,。當(dāng)然其缺點(diǎn)則是電機(jī)回饋的能量被轉(zhuǎn)換成熱量消耗掉，沒(méi)有重新利用,。

為了節(jié)約能源,，部分高端變頻器采用了背靠背的結(jié)構(gòu)，而普通變頻器也可以通過(guò)添加能量回饋模塊來(lái)把電機(jī)回饋的能量返回輸入端,。見(jiàn)下圖所示,。


對(duì)于這類(lèi)變頻器來(lái)說(shuō)，電機(jī)再生的電能仍然會(huì)回饋到UPS里面,，使得UPS面臨與直接連接電機(jī)類(lèi)似的問(wèn)題,。

還有一類(lèi)特殊的變頻器使用了矩陣變換器的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖所示,。由于其中沒(méi)有儲(chǔ)能元件,，所有的能量都直接在輸入輸出端傳遞，對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)與直接連接電機(jī)也沒(méi)有區(qū)別,。

當(dāng)然,，如果UPS直流母線具有足夠大的容量，電機(jī)回饋的能量導(dǎo)致的直流母線充高在能夠接受的范圍內(nèi),，那么由于給電機(jī)提供的平均能量仍然是正的,，UPS就仍然可以放心應(yīng)用。通常情況下UPS都沒(méi)有那么大的直流母線電容,，必須考慮的方式來(lái)解決電機(jī)負(fù)載能量回饋問(wèn)題,。出于簡(jiǎn)單起見(jiàn),，這里僅討論UPS單機(jī)下的解決方案，在并聯(lián)系統(tǒng)里面的負(fù)功率保護(hù)問(wèn)題牽涉到很多其他的并聯(lián)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的問(wèn)題,，并不僅僅是電機(jī)再生能量的處理,。

部分UPS在電路架構(gòu)上是使用完全雙向的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下面圖中所示,。其中PFC,，逆變甚至電池DC/DC都可以保證能量雙向流動(dòng)。

從原理上來(lái)說(shuō),，只要軟件上解除在PFC級(jí)和逆變器的復(fù)功率限制,，這種UPS完全可以工作在雙向模式下：當(dāng)電機(jī)發(fā)生能量回饋時(shí)，在市電模式下,，通過(guò)PFC把能量反饋回市電;在電池模式下,，通過(guò)雙向DC/DC把能量反饋回電池。這里面有一些必須考慮到的因素,，比如：

電網(wǎng)是否允許能量回饋?

能量回饋電網(wǎng)需要滿(mǎn)足那些規(guī)范?

電池允許的充電功率有多大?

首要的問(wèn)題是電網(wǎng)方面是否允許再生能量回饋,。不同地方的電網(wǎng)對(duì)此的要求可能會(huì)不一樣，對(duì)于一些功率特別大的負(fù)載,，電網(wǎng)出于穩(wěn)定性考慮可能不希望能量回饋。如果輸入端使用的是通常的柴油發(fā)電機(jī),，那么是不能回饋能量的,。

在允許能量回饋電網(wǎng)的前提下，必須考慮此時(shí)面對(duì)的安全問(wèn)題,，這是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)面臨過(guò)的,。當(dāng)能量向電網(wǎng)回饋，而電網(wǎng)由于此時(shí)斷電的話(huà),，就會(huì)出現(xiàn)所謂的孤島效應(yīng)問(wèn)題,。而電網(wǎng)如果在回饋過(guò)程中出現(xiàn)短時(shí)間低電壓等異常情況，UPS的能量回饋也應(yīng)當(dāng)正常工作一段時(shí)間,。為此適用于可再生能源發(fā)電的技術(shù),，比如孤島檢測(cè)，低電壓穿越等技術(shù)就業(yè)需要配備在UPS上,。

在電池模式下,，常用的鉛酸蓄電池在充電和放電時(shí)所允許的電流是不同的，充電時(shí)的大電流要小得多,。這就意味著如果負(fù)載回饋能量很大時(shí),，充電電流就也會(huì)很大，為此在電池模式下兼容電機(jī)負(fù)載就需要使用足夠多的蓄電池組來(lái)分?jǐn)偝潆婋娏?。一方面,，一般UPS的充電功率是根據(jù)常見(jiàn)電池組的容量來(lái)配備的,，如果要加大充電的功率，這部分電路也需要特別設(shè)計(jì),。

對(duì)于其他電路架構(gòu)的UPS,，比如下面一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，其電池升壓和PFC都是單向工作的,，這就意味著電機(jī)再生能量是無(wú)法反灌到市電或者電池的,，必須想辦法。

在市電模式下,，簡(jiǎn)單的方式不外乎采用旁路解決,。只要發(fā)現(xiàn)負(fù)載回饋的能量過(guò)大，就把UPS轉(zhuǎn)到旁路模式下,，通過(guò)旁路來(lái)吸收電機(jī)再生能量,。這一方法只有在旁路真正是市電，并且正常情況下可以使用,，其應(yīng)用是有一些局限性的,。如果要求UPS不管在市電還是電池模式下還是使用發(fā)電機(jī)做輸入都能搭配電機(jī)負(fù)載工作，就必須還要有其他的方法,。

一種不受市電和電池模式限制的簡(jiǎn)單方式就是像變頻器一樣加入制動(dòng)電阻來(lái)消耗多余的能量,。這一設(shè)計(jì)在變頻器上已經(jīng)非常成熟，可以很方便的移植到UPS上使用,。由于傳統(tǒng)上UPS并不具有專(zhuān)門(mén)為制動(dòng)使用的IGBT,，需要把制動(dòng)電阻和制動(dòng)IGBT單獨(dú)設(shè)計(jì)為一個(gè)模塊，根據(jù)需要來(lái)作為可選的附件來(lái)使用,。

能量回饋模塊也是變頻器上成熟的技術(shù),，當(dāng)然也可以用到這里。能量回饋模塊的原理也是把電機(jī)回饋的能量轉(zhuǎn)成交流返回給市電,，為此在電池模式,，或者在輸入是發(fā)電機(jī)的情況下，能量回饋模塊也是不能使用的,。

在UPS的充電器設(shè)計(jì)中,，一種常用的做法是從直流母線取電，通過(guò)電路降壓后給電池充電,。在這種方式下,，就給電機(jī)能量回饋的處理提供了一個(gè)變通的方式：無(wú)論在市電模式還是在電池模式下，都通過(guò)充電器把多余的能量轉(zhuǎn)給電池儲(chǔ)存,。當(dāng)電池充到某一個(gè)程度時(shí)就轉(zhuǎn)到電池模式,，把能量釋放到一個(gè)相對(duì)低的水平。這樣通過(guò)略微降低一點(diǎn)電池后備時(shí)間，可以換來(lái)電機(jī)負(fù)載問(wèn)題的解決,。這個(gè)過(guò)程見(jiàn)下圖所示,。

在市電模式下，能量是從市電Mains,，經(jīng)過(guò)PFC,，DC BUS，INV產(chǎn)生交流電壓輸出提供給負(fù)載,，充電器從DC BUS取電,，給電池充電。在電池模式下,，電池能量經(jīng)過(guò)DC/DC,，DC BUS和INV提供給負(fù)載。

當(dāng)電機(jī)發(fā)生能量回饋時(shí),，能量流向就會(huì)發(fā)生改變,。在市電模式下，如果BUS電壓由于回饋能量而充高時(shí),，就需要停止市電供電,，而由充電器把能量轉(zhuǎn)移到電池端。

當(dāng)能量回饋結(jié)束時(shí),，需要先檢查電池是否已經(jīng)充滿(mǎn),，如果已經(jīng)充滿(mǎn)，則需要以電池模式把電力釋放掉一部分,，以為下一次電機(jī)能量回饋留出空間,。

之后再重新轉(zhuǎn)回市電模式工作。在市電模式下,，充電器也要保證不把電池充滿(mǎn)，而是預(yù)留下儲(chǔ)存回饋能量的空間,。

在電池模式下則比較簡(jiǎn)單,，只要BUS由于逆變器復(fù)功率而沖高，就關(guān)閉電池DC/DC,，打開(kāi)充電器,，直到電機(jī)能量回饋結(jié)束，再轉(zhuǎn)回電池DC/DC工作,。這種解決方案的好處是電機(jī)回饋的能量只會(huì)返回到電池,，在后續(xù)合適的時(shí)機(jī)再釋放出來(lái)，而不會(huì)返回到市電,，從而防止了類(lèi)似太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電方式帶來(lái)的問(wèn)題,。

很明顯，這個(gè)過(guò)程與混合動(dòng)力汽車(chē)的原理是非常一致的,。同樣的,，智能的電池能量的管理在這里也是很關(guān)鍵的,。如果充電的閾值設(shè)得太高，電池有可能被充壞;如果放電的閾值設(shè)得太低,，可能會(huì)影響斷電時(shí)的后備時(shí)間,。同樣的，充電器的容量以及電池允許的大充電電流也是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要因素,。



在UPS應(yīng)用中,，當(dāng)負(fù)載是會(huì)產(chǎn)生再生能量的電機(jī)時(shí)，一般UPS系統(tǒng)比較容易由于電機(jī)制動(dòng)能量回饋到UPS的直流母線的問(wèn)題而產(chǎn)生逆變器負(fù)功保護(hù)或者直流母線高壓保護(hù),。為了兼容這種類(lèi)型負(fù)載,，UPS系統(tǒng)需要附加額外的功能模塊來(lái)達(dá)到可靠工作的目的。

為可靠和簡(jiǎn)單的方法是為UPS配備可選的制動(dòng)模塊,，其中包含電阻和開(kāi)關(guān)管,。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，從電機(jī)回饋的能量可以利用制動(dòng)模塊加以消耗,。

為了提升能源利用效率,，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整蓄電池容量和充電器功率，選擇電池儲(chǔ)能方法來(lái)回收制動(dòng)再生的能量,。通過(guò)智能的電池能量管理,，維持電池組總有承受下一次能量回饋的空間，可以讓UPS在電機(jī)負(fù)載條件下可靠工作,，并且更加節(jié)能,。