在新能源汽车上PFC是什么

【太平洋汽车网】这是一种正常现象。充电器在充电的时候，插头上会有强大的电流通过。电流量通过的时候会产生大量的热量，所以充电器的插头和充电器用手摸上去都是会感觉很热或者说有些烫手。

手机充电时，充电器发热是正常的，交直流电在转换时存在损耗，一般的充电器采用效率较高的开关电源，不过受限于体积，所以基本上没有PFC电路，因此功率因数只有不足0.7，其余部分的能量基本上都转换成热能。

充电器在充电的时候有点烫是很正常的，只要没有异味就不用管它，不过最好放在通风的地方，因为热量会加速电子元件老化的。

下面讲述充电器过热的解决方法。

1、放在凉爽的环境里充电。

如果手机充电器过热，那夏天最好放在凉爽的环境里充电，比如有空调的屋里。这样手机充电器就不会过热了。

2、使用原装的充电器。

3、手机充电时不要玩手机。

手机充电时还玩手机，会导致手机充电器过热的，因为要比正常情况下多工作一段时间，这样对充电器不会，会降低充电器的寿命的。

4、不要过度充电。

一般手机充电原装充电器3个小时左右就能充满电，充满后不要再继续充电了，否则会导致充电器超负荷运转，变的过热。要及时的拔下充电器。

5、小心周围的热源。

给手机充电时，充电器应该放在远离热源的地方，比如煤气炉子、蒸锅等，以免环境温度过高，导致充电器过热。

6、减少充电的次数。

如果一天充电多次，会导致充电器过热的，所以应该控制一下充电的次数，一般一两天充电一次即可，能有助于延长充电器的寿命。

7、充电的时候，手机尽量关机。

这样既可以延长充电器的寿命，也可以保护手机。

（图/文/摄：太平洋汽车网问答叫兽）

从上面这张图可以比较清晰的看出来，新能源电动车，用电池+动力模块（电机+电控+减速器）+电源模块（OBC+DC-DC+PDU）替代了传统燃油汽车的油箱+发动机+变速箱。那新能源电动车的动力模块中，电机、电机控制器（电控）、减速器到底是什么鬼？电源模块中的OBC、DC-DC、PDU又是什么鬼？这是我感兴趣的。

先说电机，又叫驱动电机。驱动电机的主要功能是将电能转化为转子转动的机械能，并通过减速器向下传导，进而驱动车辆行驶。电机主要构成包括定子、转子以及传感器、连接件、壳体等，工作原理是电磁感应定律。在电动车行业的发展早期，直流电动机被广泛应用，但由于体积、过载能力、最高转速、维护成本等短板，直流驱动电机被行业淘汰，目前市场上新能源量产车型的驱动电机都是交流电机，有交流异步电机和永磁同步电机两种。

再说电机控制器，又叫电控。电机控制器（MCU）是电驱动系统的核心控制单元，将来自动力电池的直流电转换成三相交流电，根据挡位、油门、刹车等指令来控制驱动电机的运转。电机控制器主要由主控板、驱动板、功率器件、薄膜电容、电流传感器等构成。电机控制器是电驱动系统的核心。

电机控制器的本质是集成电路，通过主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间等进行工作，它包含了大量的控制理论、滤波算法、空间矢量控制、PID控制器、传感器理论等核心技术。电机控制器的技术门槛高于电机单体，是电驱动系统的灵魂，我们预计其未来的系统地位和单车价值量将进一步提升。

再看减速器。减速器是位于驱动电机之后的传动装置，用来降低驱动电机轴的转速并增大扭矩，属于精密机械部件。减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、差速器、箱体及其附件组成。电驱动系统最简单的架构是电机直驱，但目前的技术水平要做出大扭矩、低转速、重量轻的电机，既贵且难；高速电机与减速器的组合，目前是行业主流方案。要实现电机高转速下的大传动比、小体积，对减速器的设计、制造水平等要求很高。

转速在6000rpm-15000rpm之间的减速器，噪音、发热、密封、轴承等都是技术难点。以Tesla的Roadster为例，设计之初是“180kW电机+2档减速器”，最终因减速器质量问题被迫改用固定齿比减速器，为达到相同性能不得不将电机功率提到240kW。

再看电源模块的OBC，也就是车载充电电机。车载充电机（OBC）的作用，是在交流充电时，将外界的三相交流电转化为直流电，为动力电池充电。新能源汽车的充电方式，分为直流充电和交流充电。

OBC是涉及充电体验、效率和功率的核心部件，主要由PFC电路、隔离DC/DC和低压辅助电源构成。低压辅助电源用来在充电过程中给汽车电子电气系统供电。目前OBC功率主要有3.3kW和6.6kW两种，随着整车高压平台化、快充技术发展等，OBC在向更高功率发展。

再看DC-DC变换器。DC-DC变换器（DC-DC Convertor）是将来自某一直流电源电压转换成任意直流电压的变换器。新能源车的DC-DC，它主要为车内的低压用电器（动力转向系统、空调等）以及低压蓄电池提供电能。

DC-DC也是集成电路，主要由主控板和功率器件（IGBT、电感等）组成。

再看高压配电单元PDU，高压配电单元PDU（Power Distribution Unit），负责新能源车高压系统解决方案中的电源分配与管理。通过母排及线束将高压元器件电连接，为整车提供充放电控制、高压部件上电控制、电路过载短路保护、高压采样、低压控制等功能等，保护和监控高压系统的运行。

结构上看，PDU主要由铜排、继电器、熔断器、预充电阻、电流采集器等构成。由于和整车电子电气布置密切相关，每个车型的PDU都有差异，难以成为标准品。PDU配置灵活，市场上主流方式有两种：一种是针对具体车型定制开发PDU产品；另一种是将PDU功能集成到其他零部件中，开发集成化产品。

上面详细介绍了电机、电控、减速器、OBC、DC-DC、PDU这6样产品的用途，并贴了产品形态照片。目前的产业发展趋势是把这些模块做集成，做多合一，比如三合一动力总成是把电机、电控和减速器做在一起。下图是蔚来汽车自己做的三合一动力总成系统。

蔚来的动力总成“三合一”EDS系统

国内外主要厂商动力总成“三合一”驱动系统

除了动力模块可以做三合一，电源模块同样也可以做三合一，将OBC、DC-DC、PDU做到一起。现在更厉害的已经可以把动力模块和电源模块做六合一甚至七合一了。比如华为DriveOne“七合一”系统，为业内首款超融合架构动力与解决方案，将驱动电机、减速器、电机控制器、PBC、DC/DC、PDU、BCU（电池管理系统主控单元）七大部件集成在一起。

下面这张图是目前国内外电驱动相关企业的集成化布局情况。这里面涉及到的几家企业也正好是我们今后可以投资的一个方向。主要标的有：汇川技术、英博尔、卧龙电驱、大洋电机、方正电机、长鹰信质、精进电动。

那么接下来，我们就可以重点跟踪关注汇川技术、英博尔、卧龙电驱、大洋电机、方正电机、长鹰信质、精进电动的业绩和股价表现，看是不是有好的投资机会。

按照驱动形式，FCEV又可分为两种：纯燃料电池驱动(PFC)的FCEV；混合驱动的FCEV。

给车载电气供电，DCDC在电动汽车电气系统中的位置，如下图所示。它的电能来自于动力电池包，去处是给车载用电器供电。

与超级电容配合使用的DCDC，在整车电源中的位置如下图所示，它可能出现在图（b）、（c）、（d）中所示位置上，而（b）是应用较多的一种形式。

1 DCDC分类和工作原理

1.1 隔离型和非隔离型

什么是电气隔离？

百度来的一段话：电气隔离，就是将电源与用电回路作电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。实现电气隔离以后，两个电路之间没有电气上的直接联系。即，两个电路之间是相互绝缘的。同时还要保证两个电路维持能量传输的关系。电气隔离的作用主要是减少两个不同的电路之间的相互干扰，降低噪声。

非隔离双向DCDC，结构比较简单，每个部件都是直接相连，没有额外的能量损失，工作效率比较髙。对升压侧的电容要求比较高。主要的非隔离DCDC电路结构有双向半桥boost-buck电路，双向buck-boost电路，双向buck电路，双向Zate-Sepic电路，如下图所示。

隔离型双向DCDC，在非隔离型双向DCDC转换器的基础上加上一个高频变压器就构成了隔离型双向DCDC转换器，高频变压器两侧的电路拓扑可以是全桥式、半桥式、推挽式等等。这几种隔离型的双向DCDC转换器，采用了更多的功率开关，电压变比大，带电气隔离等优点。但是这类DCDC转换器结构复杂，成本也相对较高，转换器的损耗高，低频时会导致隔离变压器铁芯饱和，损耗会进一步增加。因此，非隔离型双向DCDC转换器比隔离型在电动汽车上运用更具有优势。

当能量由高皮侧流向低压侧时，双向DCDC转换器工作在BUCK模式；能量由低压侧流向高压侧时，双向DCDC转换器工作在BOOST工作模式。

1.2 DCDC系统三个组成分

主电路

又叫做功率模块，是整个DCDC的主体。一个典型的全桥型 DCDC 变换器主电路拓扑如下图所示。

上图中，Vin为输入电压，需要通过DCDC回路，在输出端得到一个需要的输出电压。原边开关电路，将输入电流调制成矩形波，这个过程主要依靠控制器调制特定占空比的PWM波，用以驱动四个开关管按照既定的顺序和时间开闭，从而实现电流逆变过程。原边输入电压可以通过占空比调节，占空比增加输出电压也增加，占空比减小输出电压减小。频率则可以通过调节开关频率调节。T1位变压器，变比你n。变压器既可以实现电气隔离，又可以起到电压调节的作用。一个固定的原边线圈匝数，副边改变匝数，即可得到不同的电压等级。变压器的输入，是经过左侧全桥电路逆变得到的脉冲矩形波，传递到变压器的副边，得到的是另一个电压幅值的交流正弦波。经过DR1和DR2整流以后，再经由Cf和Rl滤波处理，得到直流电，提供给输出端。

驱动模块

对于控制芯片输出的四路 PWM 驱动信号来说，并不能直接驱动四个功率开关管。所以，一般来说，开关电源是需要配套一个驱动电路来驱动功率开关管。驱动电路种类很多，主要由以下三种:

直接耦合型：控制芯片的每一路输出 PWM 驱动信号经过由两个三极管组成的放大电路来驱动功率开关管。此种方法无法实现控制部分与主电路的隔离。

脉冲变压器耦合型驱动电路：此电路是在直接耦合型的基础上加上了一个脉冲变压器，实现了控制电路与主电路的隔离。但是这种结构的缺点是，涉及到变压器的设计、制作等方面，比较复杂。

驱动芯片的驱动电路：为了更加方便地来驱动功率开关管，很多公司研制出驱动芯片，驱动芯片可以输出较大的功率，驱动开关管，而且随着芯片的小型化发展，现在的驱动芯片体积非常小，有各种封装形式。利用驱动芯片对功率开关管驱动，这种方法比较简单，但是控制电路与主电路仍然没有实现隔离。

控制模块

主电路的反馈主要有三种控制模式：电压控制模式，峰值电流控制模式，平均电流控制模式。

电压控制模式：属于电压反馈，利用输出电压进行校正，是单环反馈模式，输出电压采样与输入基准电压比较，得到的输出信号与一锯齿波电压比较，输出 PWM波信号。电压控制模式设计以和运用都比较简单，但是电压控制模式没有对输出电流进行控制，有一定的误差存在，并且输出电压先经过电感以及电容的滤波，使得动态响应比较差。

峰值电流控制模式：峰值电流控制模式与电压控制模式的区别在于，峰值电流控制模式中，把电压控制模式的那一路锯齿波形，转换成了电感的瞬时电流与一个小锯齿波的叠加。但是电感的瞬时电流并不能表示平均电流的情况。

平均电流控制模式：属于双环控制方式，电压环的输出信号作为基准电流与电感电流的反馈信号比较。设置误差放大器，可以平均化输入电流的一些高频分量，输出的经过平均化处理的电流，再与芯片产生的锯齿波进行比较，输出合适的 PWM 波形。

电感电流和电容电压因此需要对两个变量都要进行PID整定，一个典型的控制流程如下图所示。控制模块是由两个PID控制器组成，分别是电压控制控制外环和电流控制内环，在流程图中给出一个参考电压，设计合理的参数，就可以很快速的达到控制系统的目的。

相比三种控制方式，平均电流的控制方式不限制占空比，对输出电压和电感电流均进行反馈，有比较好的控制效果。采用平均电流控制方式进行反馈电路的设计时，把电流环是看作电压环的一部分。

1.3 软开关和硬开关

DCDC中的硬开关与软开关有何区别？

硬开关和软开关是针对开关管来讲的。

硬开关是不管开关管(DS极或CE极)上的电压或电流，强行turn on或turn off开关管。当开关管上(DS极或CE极)电压及电流较大时开关管动作，由于开关管状态间的切换(由开到关，或由关到开)需要一定的时间，这会造成在开关管状态间切换的某一段时间内电压和电流会有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗称为开关管的切换损耗。软开关是指通过检测开关管电流或其他技术，做到当开关管两端电压或流过开关管电流为零时才导通或关断开关管，这样开关管就不会存在切换损耗。一般来说软开关的效率较高(因为没有切换损)；操作频率较高，PFC或变压器体积可以减少，所以体积可以做的更小。但成本也相对较高，设计较复杂。

进一步的，软开关包括三种控制方式：双极性控制，有限双极性控制，移相全桥控制，得到的矩形波波形如下图所示。

Q1 和 Q3 为超前桥臂上的开关管，属于同一桥臂，而 Q1 和 Q4 为对角的开关管，分别属于两个桥臂。第一种控制方式为硬开关，第二和第三种均可以实现软开关，但是第三种的控制方式较灵活，比较容易实现。

由于对功率密度越来越高的要求，可以通过提高频率来提高功率性能的软开关类DCDC是当前研究的主要方向。软开关包括3种主要控制方式：ZVS 移相全桥变换， ZCS 移相全桥变换，ZVZCS移相全桥变换。

2 给车载用电器供电，怎样估计DCDC功率

每一个用电设备都有自身工作的额定电压和额定电流，如果电动汽车中的用电设备经常处于非额定状态下工作的话，会大大降低电能转换效率，寿命受损甚至会导致设备损坏。因此，DCDC的规格与所在系统的需求相匹配，才能更好的发挥功能。一般的选型思路不是直接将全部电气功率加在一起，因为他们可能并不是全部同时工作的。

根据纯电动汽车车载电子设备的不同属性，能把用电设备分为长期用电、连续用电、短时间间歇用电和附加用电设备种类型，并赋于不同的权值。其中，长期用电设备包括组合仪表和蓄电池，权值取1；连续用电设备包括雨刮、电机、音响系统和仪表照明等设备，权值可取0.5；短时间间歇用电设备包括电喇机、各类信号灯、控制器等设备，权值可取0.1；附加用电设备电动真空泵、电动水泵和电动转向，权值根据实际情况分别取0.1、1、0.3。各类设备所消耗功率分析如表所示。

3 配合超级电容应用的DCDC怎样确定电气参数？

在复合电源系统中，超级电容一般都被定义成应对大功率的部分，放电过程，针对工况峰值，提供均值以上的部分；制动能量回收过程，承担全部或者绝大部分回收电流的吸纳。面对冲击功率，DCDC在两个方面的要求比较高。一个是反应速度，电池与超级电容并联的电源回路中，制动能量从电机产生，通过母线向电源传递。如果DCDC的反应不够灵敏，接通时间较长，则涌来的能量被DCDC隔离在超级电容以外，得不到吸纳，只能由电池吸纳，过大的功率会给电池带来永久性的损伤。DCDC的另一个要求就是能够承受瞬时大功率的冲击，串联在电容回路的DCDC，需要经常面对冲击功率的工作状态。因此，选择与超级电容串联在统一支路的DCDC，最重要的参数就是功率范围，工作电压和动作时间。

本文整理自下列文献和互联网公开资料：

1 邹捷，电动汽车移相全桥DC_DC变换器研究；

2 陈建龙，电动汽车的双向DC_DC变换器的研究 ；

3 王必荣，纯电动汽车双向DC_DC转换器的设计与研究；

4 张智平，电动汽车DC_DC变换器的研究与设计；

5 李慧，车用DCDC综述；

6 纵卫卫，电动汽车DC_DC变换器电磁干扰优化研究；

（图片来自互联网公开资料）

我们过去所讨论的UPS都属于静态UPS的范畴,其原理是:在这些UPS的运行中,除了冷却风扇之外,所用到的各种电子元件及电气部件均无任何机械运动。多年的静态UPS运行经验显示:尽管静态UPS对确保各行业用户负载的安全运行做出了“功不可没”的巨大贡献。然而,它仍存在如下的弱点:

(1)静态UPS的效率“不够高”: 相关的统计资料显示,对于中、大容量的工频机型UPS而言,其效率仅为93%～94%。对于中、大容量的高频机型UPS而言,其效率仅为94%～95%。对于当今日益强调节能、环保的社会而言,这种UPS本身的损耗仍然偏高。

(2)UPS中蓄电池组是导致UPS的故障率增高和日常维护量增大的重要因素。 而且，蓄电池的使用寿命短。此外，可能会对环境造成严重污染的废旧电池的处理问题，至今仍是困扰我们的难题之一。

因此,作为解决以上难题的技术途径之一是:选用飞轮储能式的动态UPS来代替双变换在线式的静态UPS。

2、飞轮UPS的技术优势

近年来,在国内外的数据中心、半导体芯片制造业、某些特种军用通信系统及政府的机要部门正日益关注和选用一种飞轮储能式的动态UPS(简称飞轮UPS或动态UPS)。采用这种UPS可以获得如下好处:

(1)更进一步地提高UPS的效率: 相关的资料显示,可将UPS的效率从静态UPS的92%提高到飞轮UPS的98%。

(2)将故障率明显偏高的蓄电池部件从UPS中彻底取消。 由此所能获得的好处是:不仅有助于提高UPS的可靠性,还可以大幅度地减少电源值班人员的维修工作量。

对于这种飞轮UPS而言,当市电供电正常时,它在利用市电向用户供电的同时,还将部分电能同时通过具有电动机和发电机调控功能的“同步补偿机(G/M)”装置而以动能的形式储存在其巨大的飞轮中。

此时,对于其“同步补偿机(G/M)”装置而言,不仅承担着短时效的能量转换调控功能,将来自市电的电能变换成储存在飞轮中的机械能。而且,它还承担着自动稳压以及对可能来自市电电网和用电设备所产生的谐波电流执行自动补偿的调控功能,就是将输出电流的谐波含量THDI值实时地调节到趋于零。当市电供电中断时,它可以利用原来储存其飞轮中的巨大动能的惯性驱动同步补偿机(G/M)装置继续旋转。此时同步补偿机(G/M)装置将自动承担着发电机的调控功能,从而确保对各种用电设备的连续不间断地供电。能够将飞轮UPS推向新的实用阶段的推动因素有:

(1)对于当今的技术相当成熟的电力工业而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供电的电网调度技术,以及在用户的供电系统中采用ATS开关在双路市电输入电源之间自动执行“切投调控”操作的保护性的设计方案,在他们的市电输入供电系统中,发生长时间的停电事故的几率是极低的。

这样一来,就为依靠动能型的惯性能量来确保负载的连续供电的飞轮UPS得到实际应用创造出极为有利的运行条件。

①根据美国Electric Power Research Institute对美国供电电网的调查发现,90%以上的停电事故的持续期小于10s

②根据RWE公司对欧洲9个国家的126个供电电网的调查发现:95%以上的停电事故的持续期小于3s

③对于在两路市电输入电源之间采用ATS开关的自动切换调控技术的用户设备而言,当其优先供电的输入电源发生停电事故时,其另一路备用电源可在小于1～3s的时间间隔内恢复向用电设备供电。理论上讲,ATS开关会导致输入电源出现几十到上百毫秒的供电中断,这是因为ATS开关的典型切换时间为≤200ms左右。导致ATS开关的总切换时间可能长达几秒的原因是:为了防止因市电电网发生偶发性的闪断,而导致ATS开关在两路市电电源之间执行不必要的、频繁的“误切换”操作,从而导致在用电设备的输入端产生令人厌烦的尖峰型电源干扰以及ATS开关使用寿命的缩短。为此,有必要人为地为ATS开关设置适当延时切换保护功能。所以,对于具备有“双总线输入”供电条件的用户而言,是可以通过选用飞轮UPS的技术途径来省却配置体积庞大、故障率偏高和维护量偏大的蓄电池组。

综上所述,既然在供电电网中, 发生长时间停电故障的几率是极低的 。这样一来,就为能充分发挥出飞轮UPS对可能来自市电电网的瞬态电压波动、闪断、瞬态干扰、谐波电流执行实时补偿型调控功能的技术优势奠定下坚实的技术基础。

(2)与传统双变换在线式的静态UPS相比,飞轮UPS具有如下明显的技术优势,如表1所示。

从表中可见,飞轮UPS在整机效率、单机的最大输出功率、抗过载能力、抗输出短路能力、输入功率因数、负载功率因数、允许的工作温度范围、无需电池组的维护和可靠性高等技术性能上均明显地优于双变换在线式的静态UPS。在此需要说明的是,对于飞轮UPS供电系统而言,其平均整体效率要比静态UPS的效率高3%～4%。来自美国Active Power公司的真空磁悬浮飞轮UPS能效甚至可提高6%。这对于当今能源价格增幅较大的背景下,其节能降耗和绿化环保的效应尤为明显。采用飞轮UPS可以更加节能的另一个原因是:由于它自带有风冷电扇及无需配置要求环境温度小于25℃的电池组。因而,再也无需为UPS机房配置具有高耗运行特性的空调机组。但应说明的是,仍需为它配置必要的热风排除系统。

3、飞轮UPS的工作原理

一台带飞轮型动能存储器的动态UPS的典型的控制框图如图1所示。它可提供单机输出功率分别为150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA的产品。如图中所示,与UPS共有的两条供电通道:

(1)维修旁路供电通道:正常工作时,开关S2处于断开状态

(2)主供电通道:它是由输入开关S1、输入静态开关、扼流圈1和扼流圈2、电力电源桥(Power-bridge)及输出开关S4等几大部件所组成。其中的电力电源桥部件是由同步电动机/发电机组、双向变换器、励磁发电机和储能飞轮等主要部件所组成。当市电中断时,其满载供电时间为20s左右。对于需要长时间连续供电的用户而言,可通过选配柴油/燃气发电机组来实现(选件)。在这里,由扼流圈1、扼流圈2和同步电动机/发电机所共同构成的电力电源桥是同时具有输出自动稳压和输入电流谐波补偿调控功能的所谓神奇的隔离-耦合扼流圈型的调控环。在这里,电力电源桥同时承担着自动稳压器和有源滤波器的双重调控功能。可将这个调控环的控制功能归纳如下:

①对来自非线性负载所产生的谐波电流进行电流谐波的补偿和治理

②对来自输入电网的电压失真度进行电压谐波的补偿和治理

③限制短路电流反射到主输入电网的幅值

④利用电力电源桥所产生的正弦波形的电源来执行自动稳压调控功能,确保它能向负载输出稳压精度<±1%的高品质的电源。

3.1 飞轮UPS的自动稳压和不间断供电的调控原理

(1)输入电源供电正常时,飞轮UPS的自动稳压调控原理

按照这种UPS的设计方案,正常工作时,其输入开关S1和输出开关S4处于闭合状态、维修旁路开关S2处于断开状态。当输入电源的电压处于-20%～+15%之间的范围时,“输入静态开关”处于导通状态。在此条件下,可能含高频干扰的、不稳压的市电电源经扼流圈1和扼流圈2进行抗高频干扰的滤除处理后,被馈送位于其输出端的用电设备的同时,还经位于“电力电源桥”中的发电机/同步补偿机(G/M机)承担着同步补偿机的调控功能。此时的“电力电源桥”处于电动机工作状态。它通过处于高速施转状态下的励磁发电机的主轴来带动巨大的储能飞轮(转速高达1800～3300转/分钟),从而达到将部分的市电电网的电能转换成处于高速施转状态下的飞轮所具有的机械性惯性动能的能量转换的目的。与此同时,在逻辑控制板的调控下,利用位于飞轮UPS中的“电力电源桥”中的“双向变换器”,对其励磁发电机和同步发电机/发电机组同时执行自动稳压和市电同步跟踪的调控任务。此时,其发电机/同步补偿机在双向变换器的调控下,向外输出稳压精度为380V±1%的稳压电源。此时的扼流圈1和2承担着被动型的电压谐波补偿器的调控功能。

(2)当输入电源因故出现“短时停电”/闪断故障时,飞轮UPS的自动稳压调控原理

当市电因故出现“短时停电”/闪断(几十毫秒数量级的供电中断)故障时,位于飞轮UPS中的励磁发电机在利用原来存储在巨大飞轮中的惯性动能而继续处于高速旋转的工作状态之下。此时,从该发电机所输出的频率和电压均处于缓慢变化状态的输出电源被馈送到双向变换器的输入端(注:这是由于随着输入电源的停电时间的不断地延长,原来储存在巨大飞轮中的惯性动能被不断地消耗掉。在此条件下,从励磁发电机输出电源的频率和电压均会出现不同程度的下降的缘故所致)。这样的供电质量较差的电源经双向变换器处理后,就能向外输出具有自动稳压和自动稳频工作特性的高品质电源。这样的高品质电源再被馈送到同步电动机/发电机机组的输入端后,它就能连续不断地向外输出380V±1%的稳压电源(见图1b)。

当市电停电时,这种UPS持续供电时间的长短取决于飞轮所储存的机械能量大小及UPS的负载百分比。对于输出功率为1670kVA的动态UPS而言,其机械储能为16.5MW·s。这种UPS的持续供电时间与UPS的负载百分比之间的典型变化参数值被列于表2中。

从上述可见,对于飞轮UPS而言,在其运行中,如果市电出现的瞬间供电中断时间不超过上述时限的话,它都能连续不断地向用户的负载输出高品质的电源。此外,如果所遇到的市电电源问题并非是停电故障,而是输入电压偏低,这种UPS的持续供电将会被大大地延长。

在此条件下,可以获得很宽的输入电压工作范围,其典型的技术参数为:当输入电压为380V、-20%, +15%时,可连续工作当输入电压下降为380V、-30%时,其供电时间为10min输入电压下降到380V、-50%时,其供电时间为30s。当然,对于选用了柴油/燃气发电机选件或采用两路输入电源+ATS开关的“双总线输入”型的供电设计方案的用户而言,就能向后接负载提供365×24小时的不间断的供电。

一台典型的飞轮UPS的外形及主要部件的结构图如图2所示。

3.2 飞轮UPS的谐波补偿特性的调控原理

飞轮UPS的第二个重要的技术优势是: 它具有优异的输入谐波补偿特性和具有很高的系统效率(96%～98%)。

当后接负载为电阻性时,其输入功率因数PF值为1,输入电流谐波分量的THDI值几乎为零。当它在带PC机、低档服务器等IT设备、工控系统中DCS设备及家用电器等不带输入功率因数校正功能(PFC)的单相整流滤波性非线性负载时,这些用电设备本身的输入谐波特性都很差。尽管此时馈送到这些用电设备中输入电源的电压波形呈现出优良的正弦波形,然而,它们从输入电源所吸取的电流波形却变成如图3(a)所示的不连续的钟形脉冲串(即在它们的输入电流波形上呈现出严重的电流畸变现象),从而导致其输入电流的谐波含量THDI值高达55%～77%,输入功率因数PF值下降到0.8左右。

然而,在选用飞轮UPS来驱动上述用电设备后,就可以利用由“扼流圈1+同步电动机/发电机+双向变换器+扼流圈2”等共同组成的电力电源桥来对这种类型的非线性负载进行谐波治理。在此条件下,利用并接在飞轮UPS的主供电干线上的同步电动机/发电机所提供的无功功率来执行电流谐波补偿调控。这样一来,就能在飞轮UPS的输入端上再次获得如图3(a)所示的具有优良正弦波形的输入电流波形。

在此背景下,就能大大地改善其输入电流谐波特性。其的典型值分别为:输入电流的谐波含量THDI值<5%，输入功率因数PF值>0.98左右。在此需说明的是:由于在当今的数据中心机房所用的绝大多数IT设备(中、高档服务器、存储设备、网络设备)均采用带输入功率因数校正技术(PFC)，当再用飞轮UPS来驱动这些用电设备时，就获得如下的具有“绿色电源”型的输入谐波特性：即：它们输入电流的谐波含量THDI值<3%、输入功率因数PF值>0.99左右，如图3(b)所示。

综上所述可知,与传统的双变换在线式的静态UPS只能解决其输入电流谐波和输出谐波问题相比,飞轮UPS可同时对其输入电流谐波和输出谐波执行谐波补偿调控,其技术优势不言自喻。

3.3 飞轮UPS具有优异的输出动态响应特性

飞轮UPS的另一个重要的技术优势是它具有优越的动态响应特性,如图4所示,当UPS的后接负载突然加载时,由“同步电动机/发电机组+扼流器2”所组成的并联的电力电源桥向后接的负载提供瞬态的、补充型的有功功率,以便确保在UPS的输出端上能获得优良的自动稳压输出特性。其典型动态响应特性为:<5%,恢复时间10ms(0→100%负载→0)。相反,当UPS的后接负载突然减载时,由“同步电动机/发电机组+扼流器2”所组成的并联的电力电源桥将会迅速地从UPS的主输出干线上吸取瞬态的“富裕”有功功率,以便确保在UPS输出端上能获得优良的自动稳压输出特性。

在这里,可以将位于飞轮UPS中的由输入静态开关、扼流圈1和扼流圈2等所组成的电路看成是市电电网的电能传输的主通道,将由“飞轮+励磁电机+双向变换器+同步电动机/发电机”等所组成的电力电源桥看成是并联在其输出端上的稳压电能储能器,由它来动态地调节从飞轮UPS所输出的功率,以便能快速地响应后级用电设备的实时用电量的动态变化。

3.4 飞轮UPS的典型技术参数

输出功率:150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA

输入功率因数:0.96～0.99输入电压谐波含量的THDV值<2%效率:>96%

输入电压范围分别为:380V、-20%～+15%,长期工作380V、-30%,支持的运行时间为10min380V、-50%,支持的运行时间为2min

输出电压:380V<±1%峰值比为5:1

抗输出短路能力:300%,5s1400%,10ms

UPS单机平均无故障工作时间(MTBF):130万小时

允许的UPS的并机数量:16台。

4、结束语

综上所述,对于市电环境良好的用户而言,飞轮UPS在如下技术性能上均明显地优于双变换在线式的静态UPS。它们是:整机效率、单机的最大输出功率、抗输出短路能力、输入功率因数、输出功率因数、允许的工作温度范围、可靠性、EMC电磁兼容性,以及因无需配置电池组而大大减少UPS的维护工作量和减少机房占用面积等诸多方面。其中,尤以可靠性高、节能降耗效果显著、无需配置故障率偏高的蓄电池组等更加引人注目。有鉴于此,它在美国、欧洲和台湾地区的某些半导体芯片厂和军用系统中得到应用。近年来,它也日益引起国人的关注。据悉,在我国有可能将飞轮UPS将纳入我国数据中心建设的标准中。这是因为,飞轮UPS作为近年来发展极为迅猛的技术,它可为我们在建设绿色数据中心时,获得经济与环保的双重收益。然而,在此需说明的是,对于这种UPS而言,它并非是十全十美。

虽然飞轮UPS还存在着一些不足,然而时至今日,对于那些具备有“双总线输入”供电条件和对蓄电池的应用感到困扰的用户而言,他们是完全可以通过选用飞轮UPS的技术措施,来消除因配置故障率偏高和维护工作量偏大的蓄电池组所可能带来的种种弊端,这是因为其预期使用寿命可长达15～20年。目前,国外大型数据中心采用飞轮UPS保障供电比较普遍,磁悬浮飞轮UPS系统在此领域尤为突出,相比之下,蓄电池的使用寿命仅为充、放电几千次,一般仅需几年就要更换电池。

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