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略談UPS及其技術發歷程（二）_環球微頭條

發布時間：2023-06-20 13:34:46 文章來源：程序員客棧

二、第一代及以后靜止變換式UPS的問世為什么不間斷供電不用電池呢？這

二、第一代及以后靜止變換式UPS的問世

為什么不間斷供電不用電池呢？這和計算機的輸入交流電壓有關。電池的直流電不許變換成交流電，但當時的器件技術和產品還達不到如此大功率輸出的條件。于是最直接的方法就是在電動發電機的同軸上加一個大飛輪。市電正常供電時電動發電機做正常旋轉向計算機供電，飛輪在同步旋轉中儲能，待市電斷電時儲能飛輪帶動發電機繼續旋轉5s向計算機供電。圖4（a）所示就是英國1900計算機和第一代UPS

圖4 第一代UPS和水銀接觸器

(資料圖)

結構示意圖。1967年從英國進口了一臺1900計算機，這套計算機是為長春光機所購置的，是筆者親自驗收和作可靠性運行實驗的，1968年送往王大珩先生為所長的長春光機所并負責裝機運行，那時著名的蔣筑英還是一名技術員。那時正值文化大革命運動如火如荼的時候，完成裝機運行后在一片武斗槍聲中倉皇逃回北京。在1900配套UPS控制柜中的輸入開關采用了水銀接觸器，如圖4（b）所示的傾斜狀態的水銀接觸器是斷電狀態，電源不接通，開機時一個按鈕按下水銀接觸器轉到水平狀態，如圖4（c）所示，這時就利用水銀的導電性將輸入電壓連接到電動發電機。后來在當時的5機部也發現了一臺同樣的UPS單機。

但像20kVA這種容量的UPS為了5s的后備時間就帶了一個5T重的大飛輪實在不太經濟，如果計算機再增容應如何對待？就像現在數據中心一開口就是400kVA，即使配上100T的大飛輪也只能蓄能5s。好

圖5 第一代UPS的過渡板電原理圖

在上世紀六十年代半控器件可控硅問世，這就為UPS帶來了福音。使UPS在結構和性能上發生了很大變化。如圖5所示就是放棄了飛輪和延長了后備時間的一種結構。如圖所示用可控硅整流器整流出一定的穩定電壓為電池充電，直流電壓為直流電動機供電運行，直流電動機又帶動同軸上的交流發電機同步旋轉發電送往UPS，在市電斷電時直流電動機繼續運行，其后備時間就可根據用戶的要求增減電池組數量，筆者在執行一項國防重大試驗任務時就采用了這種設備。由于可控硅靜止變換式UPS的出現這種直交流電動機

圖6 全可控硅靜止變換式UPS的結構原理圖

產品也就淡出UPS行列了，它只是過渡了一下。

隨著可控硅器件的成熟美國愛克賽（Exide）和瑞士的IMV公司同期推出了全可控硅靜止變換式UPS。用可控硅逆變器代替了直流電動機和交流發電機。因當時的的逆變器電路技術尚在全橋變換階段，輸出電壓是三條火線如圖5所示，而實際用戶應用的是三相四線式電壓，所以必須加一個D-Y變壓器。又由于當時的一個單相逆變器的的輸出是方波，但50Hz的方波再平頂時會燒負載的50Hz變壓器，于是愛克賽（Exide）等公司就做出了四臺階逆變器然后濾波成正弦波，如圖6所示。1973年尼克松訪華就帶來了這樣兩臺UPS，一臺50kVA，一臺75kVA，安裝在清河衛星地面站，當時參加該機器運維的就有后來參加《網通》的劉秀榮老師。屆時南京熊貓集團公司開始研究仿制，比如此后就推出了達林頓管逆變器75kVA 的UPS。為了促進國內對UPS的研制在中國電源學會的授意下在1984年筆者出版了56萬字的“可控硅穩壓電源”一書，如圖5所示，書中對UPS主要器件可控硅的性能和構成電路的環節做了比較詳盡的介紹，因此12,000冊不到一年的功夫就搶購一空。屆時上海自動化研究所做出了水冷式10kVA容量的三相輸出電壓UPS，電子部15所電源研究室也作出了3kVA單相輸出的樣機，但由于這種可控硅設備噪聲大效率低且笨重，在當時進口小功率UPS的沖擊下都沒形成產品而無聲無息的退出了。

到此，旋轉發電機式UPS和靜止變換式UPS開始分道揚鑣走上了各自發展的道路。圖7示出了UPS

圖7 UPS技術發展路線圖

技術發展路線圖。

1980年美國國際動力公司（IPM）首先推出了脈寬調制式高頻脈沖逆變器UPS。這個技術是美國庫伯博士上世紀70年代推出的電路，也早已廣泛應用到各類直流電源上。UPS逆變器這種結構和遠離的變化

圖8 脈寬調制式高頻脈沖逆變器原理電路圖

使得工頻機UPS的這一關鍵電路已經工作在多倍工業頻率而進入高頻機范疇。但由于某種原因使得整流器仍然采用工作在工業頻率的可控硅器件。盡管如此，由于逆變器也仍然采用的是全橋電路，輸出變壓器照樣原封不動地存在其中，這就使得該電路始終沒有脫出工頻機的范疇。

1980年后是UPS市場產品最活躍的年代，各種大小功率的UPS如雨后春筍般遍地發芽，美國愛克賽UPS通過水電部進入；意大利西力UPS通過紡織工業部進入；美蘭日蘭通過電子工業部15研究所進入，筆者出國培訓后在15所的長城公司建立了第一個梅蘭日蘭UPS服務中心；屆時力博特和艾默生的全可控硅UPS也通過自己的渠道有了裝機用戶，索克曼和先控也找到了自己的用戶，等等。

小功率UPS也紛紛接踵而來，日本的東芝、松下、電京、湯淺、荷蘭的DELTA、芬蘭的Fscar都不甘落后相機進入；山特、山頓、保時等國內牌子的UPS也隨著這股洪流悄然進入，山特1984年在深圳落腳并在附近建立了多個加工廠，比如深圳的中亞公司，佛山的科普器材公司和志成冠軍的前身公司都在為山特加工產品；山頓在深圳的制造是由西南電子有限公司承擔；由于當時這些小功率UPS進入市場比較倉促，沒有向用戶交代使用事項，于是山特公司北京辦事處候蘭女士請在下撰寫了“山特UPS使用說明書”，十年后筆者被聘為技術顧問；“保時牌”UPS代理商李先生也從香港趕過來請在下撰寫了“保時UPS使用說明書”。同期臺灣創立牌UPS在以何春華先生為首席代表的主持下也在北京落戶，后來筆者被聘為技術總監。就在這些產品的刺激下一些地方也開始了制造UPS的醞釀嘗試，像熊貓、創統、冠軍、科華、科士達、捷益達、East、恒電…。后來多個公司在深圳和所在城市得到了很好的發展。同期筆者也為現在火箭軍的的前身“二炮”研制并做出了導彈陀螺儀小功率UPS。

80~90年代也是UPS技術廣泛傳播的年代，UPS逆變器的達林頓管因為是由功率晶體三極管組成，三

圖9 UPS逆變器采用幾種器件的過程

極管的優點是導通壓降小，管子功耗小，但有一個二次擊穿的弊病，可靠性受到影響，尤其它是電流控制器件放大系數值不高，因此必須多級推動，這就是為什么采用達林頓的原因，所以在大電流時耗費驅動功率，效率低；后來出現了場效應管，由于場效應管是電壓控制器件，節省功率，但導通壓降大，不利于大電流輸出；隨著器件技術的提高終于出現了場效應管與晶體三極管組合的絕緣柵晶三極體管IGBT，為逆變器提供了方便，如圖9所示。上世紀80年代日本三菱公司雖然推出了全IGBT的30kVA高頻機UPS，但由于逆變器仍采用了全橋電路，輸出變壓器還是不能拿掉。