UPS设备的转换开关

UPS设备是计算机、服务器、雷达等设备的可靠电源保障。UPS作为一个系统设备,内部由整流器、逆变器、电池组、转换开关等部件组成。UPS转换开关与自动转换开关(ATS)、静态转换开关(STS)为相同性质、功能的电器。作为一种电源设备,UPS设备被广泛的用在数据中心、金融保险、通讯广播、民航高铁、冶金化工等领域中,为计算机服务器等设备提供“不间断”的电源保障。
一、转换开关是UPS设备重要组成部分
目前的UPS设备主要分为后备式(图1)和在线式(图2),这两种UPS设备中都含有转换开关。在后备式UPS设备中,转换开关用于稳压后的交流电源与后备电池逆变输出间的转换(市电正常时,逆变器处于后备状态,不工作),其转换动作时间就是后备式UPS输出中断时间
在线式UPS设备中,转换开关用于逆变输出与静态旁路间的转换,尽管在没有输入电源时,逆变器可以在无中断的情况下输出电池组的电能,使得这种UPS设备看似“不间断”供电,但在跳转维护旁路供电时,输出电压依然会有中断,其中断的时间就是转换开关的转换动作时间,在线式UPS用的转换开关一般为电子式的。由此看出,UPS设备转换开关的动作快慢,决定了UPS设备供电是否是“不间断”
二、UPS设备的转换开关
1、相关定义
①UPS开关(一般为空气开关)用于将UPS或旁路连接到负载或与负载隔离的开关。根据负载对连续供电性能的要求,可以是机械式或电子式(包括熄灭型、电网换相型、自换相型)开关;
②转换开关用于实现从一个电源到另一个电源间的转换,由一个或多个开关组成;
③转换动作时间测定从主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间;
④电力电子开关用于电力电子转换的运行单元,至少包含一个可控电子阀器件;
⑤机械式UPS电力开关在正常条件(包括规定的过载运行)下,能够接通、承载和分断电流的机械开关装置。而在非正常条件(如短路)时,可以在规定时间内承载电流;
⑥混合式UPS电力开关至少由一个可控电子阀器件组成而成,带有机械分接点的UPS开关。
2、UPS设备的转换开关分类
从构成方法形式上,UPS设备的转换开关可以分为电子式、机械式、机械/电子混合式。
电子式转换开关(图3)由两组双向可控硅组合而成,其特点是转换速度快:两路输入电源同步时,转换动作时间<5ms;两路输入电源不同步时,转换动作时间<20ms。其缺点是:①没有可视的分断点,不能作隔离使用;②电气性能差,抗过载能力、短路能力低。其过载能力一般与UPS设备相同,即:125%的负载可承受10min,150%的负载可承受10s;③成本较高;④体积大(加散热片)。
机械式转换开关(图4)的优点就是电气性能好,抗过载、耐短路能力强;可具有明显分断点、能做隔离使用;价格便宜。其缺点就是一个致命的:转换动作时间长!无法达到UPS设备输出电源“不间断连续性”的要求。
依据CBEMA(计算机商用设备制造协会)曲线为依据生产制造的UPS设备,其输出电压中断不能超过1/2周波(2000年后的CBEMA曲线限定为中断不超过1个周波),按此要求,UPS的转换开关转换动作时间必须<10ms(有按新的CBEMA曲线要求<20ms的),这一硬性指标机械式转换开关很难达到!因此UPS设备中绝大数是采用电子式转换开关的,只有小型的后备式UPS设备,从成本因素考虑,选择由继电器(或接触器)组成的机械式转换开关。
混合式转换开关(图5)就是把电子式与机械式转换开关结合在一起,让他们相互扬长避短,即满足了开关的转换动作时间要求,又提高了电气性能。但因结构复杂、成本昂贵,也没有什么成熟过硬的产品,因此在UPS设备很少使用。
3、UPS设备转换开关的作用
在后备式UPS设备中,转换开关的作用显而易见,其转换动作时间的快慢,直接影响到UPS设备的品质。由于转换开关选型及成本的原因,致使后备式UPS走小容量、低成本的路线,独立放置、为台式机、工业单片机、单板机等计算机设备提供电源。
在线式UPS设备中的转换开关在
①UPS故障时;
②维修UPS时;
③负载电流转换(冲击电流或清除故障电流);
④尖峰负载等情况下转换到维护旁路。
对于在线式UPS设备,其逆变器实时在线工作,提高了UPS设备输入断电时电池组迅速放电工作的速度,保证了“不间断”输出的同时,也影响了逆变器的使用寿命和增大事故隐患。因此在线式UPS设备必须设有静态旁路(见图6),以便逆变器输出发生问题时,迅速跳转静态旁路来保证UPS设备输出的连续性。这里使用的转换开关大多是电子式的。
在线式UPS设备被要求一年365天、一天24h的运行工作,逆变器、整流器等使用寿命成了问题。用增设维修旁路来解决。随之带来的是转换开关的隔离功能问题。
4、UPS设备的旁路及维护
虽然UPS的逆变输出有静态旁路,但这个旁路只能作为逆变器、整流器有故障时、确保UPS设备输出的添加的旁路,不能作为UPS中逆变器、整流器的维护旁路,原因有两个:
①UPS的转换开关是电子式的,没有明显的电气分断点,不能作为隔离使用(UPS设备的转换开关标准《JB/T8453-1996》半导体交流器第5部分不间断电源设备用开关(UPS开关)中,附录A2.2.3.2:电子式转换开关没有隔离能力);
②电子式的转换开关与逆变器等同为电子元件构成,也是实时在线使用,同样需要检修维护。
因此需要对UPS设备增设一个维护旁路(见图6):
UPS设备在维护旁路状态,分断输入开关、静态旁路开关、输出开关之后才能检修维护UPS设备。当且仅当UPS跳转静态旁路后才能闭合维护旁路开关,否则逆变输出与市电输入短路了。

三、UPS转换开关的发展
我国正朝着产品的规范化、标准化方向发展,作为一个系统,UPS要符合《GB7260.1》、《GB7260.2》、《GB7260.3》《GB7260.4》等国家标准;对于组成UPS系统的各个部件,也是尽可能的选用符合国标并能提供3C认证的产品,例如:断路器、蓄电池等。但现状是:转换开关例外!
转换开关(TSE)作为一种低压开关设备,其产品标准《GB14048.11》早在2003年就执行并要求3C认证。遗憾的是目前所有按转换开关标准生产并取得3C认证的产品,都不能满足UPS设备的使用要求,即转换动作时间>20ms。所以现阶段UPS设备制造商都是选择零件组装转换开关来实现双电源转换功能,严格意义上来说,这不是成熟规范的产品。
UPS设备内的转换开关与配电系统中的双电源自动转换开关使用功能相似,可以概括一下UPS设备的转换开关发展方向:
①转换动作时间一定要满足负载的需求。依据现行的CBEMA曲线及由此制订的美国标准IEEE446,转换开关的转换动作时间必须<20ms;
②随着UPS容量的增大,可提供的短路能量输出增高,要求转换开关有较强的短路承受能力;
③随着计算机负载超大规模集成电路和电容器的应用,负载的容性/感性增强,要求转换开关的负载应用类别要强;
④转换开关自身的使用寿命要长;
⑤转换开关自身要有旁路隔离-在线维护功能。
高速转换开关是一种新型的转换开关,除了以往的完成双电源转换功能外,保留机械式转换开关的抗短路能力高、过载能力强、适用于感性、容性、阻性混合负载的优点,最突出的是引入了“转换动作时间”这一重要的技术参数。一般来说,高速转换开关的转换动作时间都在20ms以内。使用旁路/隔离式高速转换开关的UPS设备,可以大大简化系统构成(图7)。
机械式转换开关具有可视分断点,能够起隔离作用。旁路/隔离式转换开关(图8)就是对转换开关增加了维护旁路,而且维护旁路开关与转换开关间有可靠的机械/电气互锁:当且仅当转换开关接于市电输入时,才能闭合上旁路开关,确保了市电输入不会与逆变输入短路。
使用了旁路/隔离式转换开关后的优点:①可将UPS设备的静态旁路、维护旁路合二为一,节省了制造成本;②UPS的逆变器、整流器等电子设备和转换开关的机械设备可以分别进行维护;③大大降低系统复杂度,减小设备体积;④转换开关属于3C认证产品,标准化生产可靠性高,质量问题可追溯性强;⑤超强抗过载能力。
目前世界各国都在努力的研发机械式的高速转换开关。我国已经有企业能做到250A的容量(对应着120kVA的UPS设备)。若机械式高速转换开关能做到630A、800A,在配以旁路/隔离功能,势必会更改在线式UPS、后备式UPS和稳压电源的市场格局。

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