智能科士达UPS电源的控制技术

科士达UPS电源

1 UPS的发展

UPS从最初的飞轮发电机到今天，已度过了40多个春秋，由单一旋转发电机式发展到今天多功能的旋转发电机式、静止变换式、旋转静止结合式等三大类。最早的UPS原本是用途广泛的电力保障设备，它的雏形是带有飞轮的发电机组，飞轮作为能量贮存装置，其缺点是转换效率极低、维护困难。目前，这种旋转发电式UPS还在某些特殊领域有它的特定用途，如用于工厂、矿山和大楼的集中供电，其容量高达1000kVA。

随着半导体技术的应用，诞生了比第一代旋转式UPS先进的静止变换式UPS。最初的静止变换式UPS如美国的Emerson、法国的Alpes4000等，其功率器件由晶闸管制成。接着功率晶体管在大、中容量的UPS中得到了广泛应用。功率管(MOS)普遍地应用在中小容量的UPS中，但功率管(MOS)难以达到高电压、大电流，其饱和压降大于晶体管，于是兼具前两者优点的绝缘门限晶体管(IGBT)应运而生，促使UPS的逆变技术更趋成熟。但IGBT有寄生电流擎住效应，在一定程度上限制了它的使用。

静止式科士达UPS电源分为在线式和后备式。这两种UPS的结构大致相同，其主体结构都包括整流(充电)器、蓄电池、逆变器和转换开关等4个部分。二者的区别在于工作方式不同：在线式科士达UPS电源的逆变器自始至终都在工作，而后备式科士达UPS电源只有在供电异常时才启动逆变器。后备式科士达UPS电源供电质量虽然差，但它效率高，价格低廉，多用于家庭及对电网要求不高的场所。在线式科士达UPS电源供电质量相对要高，但价格贵得多，因此多用于精密设备，网络领域及特殊供电要求的场所。

在线互动式科士达UPS电源兼顾了前两者的某些优点，效率高，转换时间短，性能价格合理，正逐渐得到用户的认可。伴随着市场竞争的日趋严峻，不同厂家根据用户的特殊要求而设计了不同应用场合的科士达UPS电源，如邮电专用型、电站专用型、铁路专用型、油田机专用型等。

Static Corstal UPS power supply is divided into on-line and backup. The two UPS have the same structure, and their main structure includes rectifier (charger), battery, inverter and switch. The difference between the two is that the inverters of the online Corstal UPS power supply are working all the time, while the backup Corstal UPS power supply only starts the inverters when the power supply is abnormal. Although the power supply quality of backup Kosta UPS is poor, its efficiency is high and its price is low. It is mostly used in households and places where the demand for power grid is not high. Online Corstal UPS power supply is relatively high in quality, but much more expensive, so it is mostly used in precision equipment, network field and places with special power supply requirements.
On-line interactive Corstal UPS power supply takes into account some of the advantages of the former two, with high efficiency, short conversion time, reasonable performance and price, and is gradually recognized by users. With the increasingly severe market competition, different manufacturers have designed different application occasions of Corstal UPS power supply according to the special requirements of users, such as post and telecommunications, power station, railway, oil field machine and so on.

科士达UPS电源还发展了将上述两种结合起来的旋转静止结合式科士达UPS电源，即在静止式科士达UPS电源上配置柴油发电-直流充电电机，当科士达UPS电源用电池放电时，电机并不启动，只有当电池容量消耗到限定值时才开始运转，给蓄电池充电，容量一般不大，一般在10kVA以下。多用在要求容量不大而又不怕吵闹的地方，如农村、边防和一些偏远的山区。

科士达UPS电源的控制电路也发展很快，由开始的分立元件简单控制发展到今天的微处理器控制，由硬件控制发展成软件控制。

Corstal UPS power supply has also developed a rotary static combined Corstal UPS power supply which combines the above two. That is to say, the static Corstal UPS power supply is equipped with diesel power generation-DC charging motor. When the Corstal UPS power supply discharges with batteries, the motor does not start. Only when the battery capacity is consumed to a limited value, it starts to run and charges the battery. Generally, the capacity is not large. Below 10 kVA. It is often used in places that require little capacity and are not afraid of noise, such as rural areas, border guards and some remote mountainous areas.
The control circuit of Kosta UPS power supply has also developed rapidly, from simple control of discrete components to microprocessor control, from hardware control to software control.

2 新一代智能型科士达UPS电源

目前，科士达UPS电源已由初期的单纯供电发展到目前的多功能应用，科士达UPS电源不再仅仅是供电电源，向用户提供高质量的稳压、稳频，无任何*存在的，波形失真度极小的“全天候“电源。且作为负载的计算机在无人值守时，要求科士达UPS电源能自动地定时关机、定时开机，当供电发生故障后，科士达UPS电源能通知计算机.对用户数据的自动转存和有序地关机。

智能化科士达UPS电源，是指在UPS主机的输出端增设DB9、RS232、RS485接口，SNMP(简单网络管理协议)卡或AS400通信接口。利用这些接口，经过专用的通信电缆或经调制解调器同服务器、路由器、网关等设备上相对应的通信接口相连。加上安装在微机或微机网络平台上能适应各种操作系统远行环境的、具有电源监控功能的UPS供电系统。

Corstal UPS power supply has developed from simple power supply in the initial stage to multi-functional application at present. Corstal UPS power supply is no longer just a power supply, providing users with high-quality voltage and frequency stabilization, without any * existence, waveform distortion minimal "all-weather" power supply. And when the computer as a load is unattended, it is required that the UPS power supply of Costa can automatically shut down and turn on at a fixed time. When the power supply fails, the UPS power supply of Costa can inform the computer. Auto-transfer and orderly shutdown of user data.
Intelligent Costa UPS power supply refers to adding DB9, RS232, RS485 interface, SNMP (Simple Network Management Protocol) card or AS400 communication interface at the output of UPS host. Using these interfaces, they are connected to the corresponding communication interfaces on the server, router, gateway and other devices through dedicated communication cables or modems. In addition, UPS power supply system with power supply monitoring function is installed on the platform of computer or computer network, which can adapt to the remote environment of various operating systems.

监控己成为当今科士达UPS电源的一个必不可少的功能，如IM的Argus，软件可同时监控250个点(机器)，它的Power Flag网络软件可同时和几个网络联结。

3智能化科士达UPS电源的功能

3.1实时监控功能

监视电路中各部分的状态，随时获取主机工作时的有关参数。应用户的要求提供电源品质的历史记录，包括输入、输出电压、频率、负载、电池质量及环境温度等关键信息。

3.2人机交互功能

双向通信是未来科士达UPS电源的发展趋势。用户可按实际情况，自行没定各种参数。如可设定备用电池倒计时的时间长短，重新设置科士达UPS电源内部的各种临界工作点阀值，自由选定要显示的内容，是否进行故障调试等。

3.3自动传呼功能

科士达UPS电源软件或附件诊测到科士达UPS电源系统故障时，可通过E-mail，寻呼，弹出窗口信息等方式实时通知系统管理员，以最快的速度解决问题。

Two-way communication is the future trend of Corstal UPS power supply. Users can decide all kinds of parameters by themselves according to the actual situation. For example, the countdown time of standby batteries can be set, the thresholds of various critical operating points in the UPS power supply can be reset, the contents to be displayed can be selected freely, and the fault debugging can be carried out.
3.3 Automatic Paging Function
When the Corstal UPS power supply software or accessories detect the fault of the Corstal UPS power supply system, the system administrator can be notified in real time by E-mail, paging, pop-up window information and so on, so as to solve the problem at the fastest speed.

3.4故障检测功能

发生故障时，在各个用户报警的同时，给出参数且及时分析，追踪引发电源故障的重要信息，必要时给出处理方法。

3.5自动保存功能

科士达UPS电源的电力快要耗尽时，执行此项功能，从而保证数据及系统的完整性和可恢复性。用户可根据实际需要定制其特定程序的自动保存功能。

3.6科士达UPS电源的自检及定时开，关机功能

通过软件检查科士达UPS电源的状态，查询科士达UPS电源的预警信息，作电池矫正试验等。这些预防性功能都可在科士达UPS电源系统故障发生之前采取适当的措施。

3.7科士达UPS电源远程监控功能

提供1个计算机接口，通过RS232或RS485，经调制解调器实现与异地计算机的终端通信，实现上述的所有功能，一台主机可以同时监控多台UPS。

4 科士达UPS电源先进控制技术

由于微电脑技术的快速发展,使复杂的控制方法以微处理器软件的方式实现，数字控制也成为应用控制理论的必然途径，各式各样的回授控制方法也相继被应用于改善科士达UPS电源交流稳压的瞬时与稳定响应。这些理论与应用的发展，大大地提高了科士达UPS电源的稳定性及系统的瞬时响应，以下介绍一些先进控制技术应用于科士达UPS电源稳压控制的发展。

4.l科士达UPS电源迟滞控制

迟滞控制是一种以误差比较为基础的边边控制系统，根据误差的正负产生最大的正负修正信号，迟滞边界的设定是为了降低当误差很小时产生的不必要切换。

由于这种方法的设计不需要了解过于复杂的数字控制理论，对于传统科士达UPS电源的转型设计是一种较为可行的方法，研发成本较低,风险较小。但由于需兼顾模拟与微处理器的软、硬件设计，因此制造成本较高，需要整体的评估。

4.2死击控制

数字控制系统也可以说是取样数据控制系统，也就是说每隔一段固定的时间，控制系统就根据命令与回授计算出适当的控制信号。死击控制是一种降低误差最快的数字控制器设计方法。这种方法由于设计过程明确方法简单，在早期科士达UPS电源采用微电脑数字控制的发展过程中,就率先被应用于稳压控制器的设计。在科士达UPS电源应用的实际状况中，由于负载的多变与电流电压的限制，这两个前提都是难以达成的。在现有的文献中，死击控制多直接应用于电压回路的稳压控制，这种方法应能更有效的应用于以多回路控制为主的电流控制器设计，因为电流回路的动态特性与能量限制均更能掌握，因此也较能发挥死击控制的效果。

4.3科士达UPS电源状态回授控制

现在，大多数的控制系统计算机辅助设计软件都是以状态空间法来描述系统的动态特性。传统的传递函数只能描述系统输入端与输出端之间的数学关系，对于系统内部的动态特性则运用自如。状态空间法则能展现控制系统所有的状态，使设计者得以掌握完整的系统动态特性。

在众多的近代控制理论中，状态回授控制以其架构简单、易于数字化的优点而普遍受到系统工程师的青睐。由于状态回授控制法以发展出系统化的参数判别、极点安置、计算机辅助最佳化设计等方法，随着DSP应用的普及，这种方法可进一步发展为具有自调功能的适应控制技术，是未来极有潜力的实用方法。

4.4科士达UPS电源可变结构控制

可变结构控制早期萌芽于前苏联，主要应用于武器系统的导向控制。这种方案特别适用于先天不稳定或具有极大参数不确定的控制系统。这种方法已有多年的发展历史，也有许多应用于马达控制的相关研究，此法随着控制技术的进展也应用于直流转换器与科士达UPS电源的稳压控制。这种方法实际应用于科士达UPS电源的微电脑控制时,有些问题仍难以克服，如可变结构控制数字化的问题、颤动的消除、控制能量对可变结构控制滑动平面所造成的限制、滑动平面的选择、如何降低撞击时间、如何追踪周期性信号等。

4.5Fuzzy/Neural控制

一个交流稳压系统，由于负载的多变性、多样性与不确定性，使设计者难以建立精确的数学模型。因此，交流稳压系统先天上就是个适合模糊控制理论挥洒的空间。近年来，Fuzzy/Neural控制虽名噪一时，但Fuzzy/Neural控制的实际应用仍有其限制。其中关健之一，即在于应用问题的本身。简单来说，并不是所有的控制问题都适合采用Fuzzy/Neural的控制方法。未来的发展，将朝向结合传统控制与Fuzzy/Neural控制的方向发展，在这一发展过程中，以应用导向为主的控制系统设计方法将成为主要的发展趋势。

4.6反复控制

反复控制器利用长时间累积的误差信息消除系统因外界*所产生的周期性误差。这一控制架构将回授控制的立足点由瞬间变化量的抑制延伸到长时间的稳态误差消除，对于控制精度的提升有很大的帮助。周期性误差在工业控制的领域中是相当常见的问题，如机械臂的振荡、交流电源供应器的输出电压失真及交、直流马达的转速涟波等，因而引起了学术界与工业界对反复控制理论的高度兴趣。但是，在UPS稳压控制的应用却仍处于起步阶段。

在科士达UPS电源中输出电压需要追随同期性的弦波命令，而系统的相位延迟则使得输出端产生周期性的追随误差。如果输出端受到整流性负载的*，也会使输出电压产生的周期性误差。在科士达UPS电源中，上述两种误差信号的频率皆为其供电频率。从领域的角度来看、反复控制器能降低与基波及其谐波同频率的*对系统的影响，这就是反复控制器能消除周期性误差的原因。这种反复控制方法，虽然具有消除周期性误差的优点，但也会将低系统的相对稳定度。尤其是面临剧烈的负载变化状况。为了保障系统的稳定度，设计时应特别考虑系统的最差状况。为了适用科士达UPS电源的多变型负载，也发展出具有适应能力的反复控制器设计方法。

从专业的角度说，看一台科士达UPS电源的好与不好，最客观和最可靠的方法就是用测试指标去衡量。

就拿影响电网供电质量的输入功率因数来说，尤其是在大容量范围时，一般传统双变换型科士达UPS电源的标配功率因数大都在0.8左右，这就造成了约有30%的谐波电流对电网的*，其结果是使该电网上的变压器、电缆、保险丝和开关等设备发热、疲劳。若要改变这种状况就必须在前面加谐波滤波器或改6脉冲整流为12脉冲整流，但这又会带来两个副作用：一个是增加包括科士达UPS电源在内的电源保护设备的成本和体积重量，另一方面增加了科士达UPS电源的损耗，从而降低了可靠性。

又如科士达UPS电源的工作效率，这是一个直接与可靠性相关联的指标。一般传统双变换型UPS由于其电路结构所限，很难将效率做高，尤其是在加入功率因数补偿设备后，就更难将效率做到92%以上。尽管这些UPS采用了ECO经济运行模式，可以将效率做到97%以上，但这种ECO经济运行模式由于它实际上是甩开了UPS的正常功能而采用了“旁路直接供电”方式，牺牲了稳压和抗*等科士达UPS电源应有的基本功能，给用户的使用埋下了隐患，这无疑违背了使用科士达UPS电源的本来目的，因此极少被采用。

另外，带载和过载能力也是反映科士达UPS电源质量的关键指标，负载真正需要科士达UPS电源起保护作用的时机莫过于两种情况：当电网电压异常或是负载异常时。在电网电压异常时(包括断电)，对负载的保护靠的是科士达UPS电源输入电路和不间断功能，而负载异常时，对其保护则要靠科士达UPS电源的带载和过载能力。一般传统双变换型科士达UPS电源的带载能力弱就是因为其负载功率因数的单一性，难于适应不同性质的负载。

1)供电原理

针对传统数据中心的科士达UPS电源在IDC建设、应用及维护过程中遇到的问题,提出对应设计一款分布式机房电源——一种以磷酸铁锂电池为后备电源的分布式电源设备。该电源设备可以很方便地直接安装在标准19英寸服务器机柜内,柜底部不超过2U空间位置,支持双路市电输入,后备时间1h左右。最大特点是分布式供电,无需为该供电系统建设独立的电力电池室,而且安装维护方便,很适合运营商的IDC机房改造和中小型数据中心机房使用。如图2所示。

分布式电源针对每一个机柜单独提供后备电源,在市电正常情况下,分布式电源向服务器输出交流电;当市电不正常或中断时,分布式电源切换到电池供电状态,通过磷酸铁锂电池箱输出220Vac电源,切换时间小于10ms,不会导致服务器闪断,从而保证设备的不间断供电,如图3所示。

(2)科士达UPS电源性能特点

①输入功率因数达0.99以上无需外加任何滤波器,在各种线性或非线性、平衡与非平衡负载情况下,输入功率因数达0.99以上。大大降低了输入无功损耗,节约了运行费用。

②用DSP技术的高性能机器

采用先进的DSP芯片,高速实时检测控制整流模块和逆变模块的工作状况,同微型计算机监控系统一起共同实现全数字控制技术。在生产调测时,将设备的各种元器件内置电气参数预置在ROM中,消除了可调器件因运输震动和老化产生漂移的隐患。

③操作简单,“一键开机”

操作显示面板内容简洁,按键功能标示明确,真正做到“傻瓜”式操作面板,同时逆变开机也可以直接通过“ON”键即可完成。

④标准机器与长效机器电池箱一体化设计

标准19英寸机架式设计,可十分方便地安装在标准机柜内使用。

⑤ECO模式提供节能效果

在经济运行模式下,当输入市电在固定范围内,直接由输入市电向负载提供能量,逆变处于等待状态;当输入市电异常时,立即转为逆变供电。

ECO运行模式可高效节能,效率不低于98%,降低用户使用成本。

⑥快速安装、维护体积小,重量轻,调试维护简单,配置灵活,可直接整机嵌入式安装。

(3)优势

相对于传统UPS供电系统,分布式电源可靠性更高,故障发生时能够降低故障范围,同时供电距离缩短,回路阻抗降低,磷酸铁锂电池放电性能可以得到充分发挥,电缆的线径将成倍减小,成本大大降低,可根据用电设备的不同要求及后备时间,合理配置电源。另外,采用分布式电源还可以提高资金利用率,具有快速部署、灵活配置的特点,用多少建多少,无需一次投入,可以避免浪费,避免电池控制的寿命损耗及电源系统空置的折旧损耗。

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