山特UPS電源針對電機(jī)類負(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)用場合里面，有時(shí)客戶會發(fā)現(xiàn)UPS頻繁出現(xiàn)DC BUS高保護(hù)，或者負(fù)功保護(hù)等。一些客戶會據(jù)此認(rèn)為是UPS的質(zhì)量問題。實(shí)際上多數(shù)情況下這都是由于后面帶有電機(jī)類負(fù)載產(chǎn)生的現(xiàn)象。在工業(yè)場合中，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)等級時(shí)，UPS與電機(jī)類負(fù)載的配合問題就是一個(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類設(shè)備，在電路結(jié)構(gòu)上就主要基于IT類設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如目前IT設(shè)備的主要是使用開關(guān)電源，而且歐盟法規(guī)規(guī)定75W以上的設(shè)備都要具備功率因數(shù)校正。因此UPS主要面對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。

　　無論是帶有PFC的開關(guān)電源，還是脈波整流電源，其功率的實(shí)部都只能是正的，能量不會反灌回市電，因此在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)精度與動態(tài)恢復(fù)速度，而不會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)來對待。因此在帶有電機(jī)類負(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，能量僅能從市電和電池流動到直流母線上，而不能反向流動。這樣即使軟件上允許能量回饋，但是當(dāng)發(fā)生能量回饋時(shí)，由于能量都儲存在直流母線上，造成直流母線升高，終仍然會導(dǎo)致UPS跳脫保護(hù)。

　　電機(jī)負(fù)載的特性與IT設(shè)備常見的開關(guān)電源完全不同，表現(xiàn)為具有啟動/制動等諸多工作狀態(tài)，而且隨著電機(jī)后面所帶負(fù)載的不同會有非常大的差異，完全不像IT類開關(guān)電源那樣只有帶載/卸載。因此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)在啟動時(shí)有很高的瞬態(tài)沖擊，如果沒有額外的輔助措施，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發(fā)生作用，從而影響電機(jī)啟動。不過好在UPS一般都設(shè)計(jì)有Line Support功能，當(dāng)負(fù)載功率大時(shí)能夠通過旁路供電來解決。但是在電池模式下，無法通過旁路分擔(dān)功率，就存在電機(jī)啟動過程異常的可能。為此對于瞬間供應(yīng)電流的能力非常關(guān)鍵的場合，就需要選擇更大功率的UPS。

　　電機(jī)在制動時(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能所儲存的能量。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下降過程中的阻力，就會成為一個(gè)發(fā)電設(shè)備，帶動電機(jī)發(fā)電，這樣再生出來的電力就有可能反灌回UPS。

　　此外，在帶有電機(jī)的應(yīng)用中還有另外一個(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被充高。在直流母線達(dá)到預(yù)設(shè)的電壓點(diǎn)時(shí)，通過開通制動電阻控制來消耗掉回饋的能量。這種做法是目前工業(yè)界普遍的方式，其優(yōu)點(diǎn)是簡單可靠，而且對于UPS來說變頻器就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的非線性整流負(fù)載，與IT類負(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添加能量回饋模塊來把電機(jī)回饋的能量返回輸入端。見下圖所示。

　　對于這類變頻器來說，電機(jī)再生的電能仍然會回饋到UPS里面，使得UPS面臨與直接連接電機(jī)類似的問題。

　　還有一類特殊的變頻器使用了矩陣變換器的結(jié)構(gòu)，見下圖所示。由于其中沒有儲能元件，所有的能量都直接在輸入輸出端傳遞，對于UPS來說與直接連接電機(jī)也沒有區(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。但是通常情況下UPS都沒有那么大的直流母線電容，因此必須考慮另外的方式來解決電機(jī)負(fù)載能量回饋問題。出于簡單起見，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)問題牽涉到很多其他的并聯(lián)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)的問題，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。

　　從原理上來說，只要軟件上解除在PFC級和逆變器的復(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PFC把能量反饋回市電;在電池模式下，通過雙向DC/DC把能量反饋回電池。但是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)需要滿足那些規(guī)范?

　　電池允許的充電功率有多大?

　　首要的問題是電網(wǎng)方面是否允許再生能量回饋。不同地方的電網(wǎng)對此的要求可能會不一樣，對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)面對的安全問題，這是太陽能發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)面臨過的。當(dāng)能量向電網(wǎng)回饋，而電網(wǎng)由于此時(shí)斷電的話，就會出現(xiàn)所謂的孤島效應(yīng)問題。而電網(wǎng)如果在回饋過程中出現(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，低電壓穿越等技術(shù)就業(yè)需要配備在UPS上。