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

——伊頓電氣電能質(zhì)量業(yè)務(wù)部 全亞斌

    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，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(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，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(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。因此在帶有電機(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(chǔ)存在直流母線上，造成直流母線升高，最終仍然會(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)，而且隨著電機(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。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(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)。不過(guò)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。但是在電池模式下，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。

    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(duì)于UPS系統(tǒng)的影響也是不一樣的。最常見(jiàn)的變頻器做法如下：

    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)界最普遍的方式，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，而且對(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。