略谈UPS及其技术发历程（二）

二、第一代及以后静止变换式UPS的问世

为什么不间断供电不用电池呢？这和计算机的输入交流电压有关。电池的直流电不许变换成交流电，但当时的器件技术和产品还达不到如此大功率输出的条件。于是最直接的方法就是在电动发电机的同轴上加一个大飞轮。市电正常供电时电动发电机做正常旋转向计算机供电，飞轮在同步旋转中储能，待市电断电时储能飞轮带动发电机继续旋转5s向计算机供电。图4（a）所示就是英国1900计算机和第一代UPS

图4  第一代UPS和水银接触器

结构示意图。1967年从英国进口了一台1900计算机，这套计算机是为长春光机所购置的，是笔者亲自验收和作可靠性运行实验的，1968年送往王大珩先生为所长的长春光机所并负责装机运行，那时著名的蒋筑英还是一名技术员。那时正值文化大革命运动如火如荼的时候，完成装机运行后在一片武斗枪声中仓皇逃回北京。在1900配套UPS控制柜中的输入开关采用了水银接触器，如图4（b）所示的倾斜状态的水银接触器是断电状态，电源不接通，开机时一个按钮按下水银接触器转到水平状态，如图4（c）所示，这时就利用水银的导电性将输入电压连接到电动发电机。后来在当时的5机部也发现了一台同样的UPS单机。

但像20kVA这种容量的UPS为了5s的后备时间就带了一个5T重的大飞轮实在不太经济，如果计算机再增容应如何对待？就像现在数据中心一开口就是400kVA，即使配上100T的大飞轮也只能蓄能5s。好

图5 第一代UPS的过渡板电原理图

在上世纪六十年代半控器件可控硅问世，这就为UPS带来了福音。使UPS在结构和性能上发生了很大变化。如图5所示就是放弃了飞轮和延长了后备时间的一种结构。如图所示用可控硅整流器整流出一定的稳定电压为电池充电，直流电压为直流电动机供电运行，直流电动机又带动同轴上的交流发电机同步旋转发电送往UPS，在市电断电时直流电动机继续运行，其后备时间就可根据用户的要求增减电池组数量，笔者在执行一项国防重大试验任务时就采用了这种设备。由于可控硅静止变换式UPS的出现这种直交流电动机

图6   全可控硅静止变换式UPS的结构原理图

产品也就淡出UPS行列了，它只是过渡了一下。

随着可控硅器件的成熟美国爱克赛（Exide）和瑞士的IMV公司同期推出了全可控硅静止变换式UPS。用可控硅逆变器代替了直流电动机和交流发电机。因当时的的逆变器电路技术尚在全桥变换阶段，输出电压是三条火线如图5所示，而实际用户应用的是三相四线式电压，所以必须加一个D-Y变压器。又由于当时的一个单相逆变器的的输出是方波，但50Hz的方波再平顶时会烧负载的50Hz变压器，于是爱克赛（Exide）等公司就做出了四台阶逆变器然后滤波成正弦波，如图6所示。1973年尼克松访华就带来了这样两台UPS，一台50kVA，一台75kVA，安装在清河卫星地面站，当时参加该机器运维的就有后来参加《网通》的刘秀荣老师。届时南京熊猫集团公司开始研究仿制，比如此后就推出了达林顿管逆变器75kVA 的UPS。为了促进国内对UPS的研制在中国电源学会的授意下在1984年笔者出版了56万字的“可控硅稳压电源”一书，如图5所示，书中对UPS主要器件可控硅的性能和构成电路的环节做了比较详尽的介绍，因此12,000册不到一年的功夫就抢购一空。届时上海自动化研究所做出了水冷式10kVA容量的三相输出电压UPS，电子部15所电源研究室也作出了3kVA单相输出的样机，但由于这种可控硅设备噪声大效率低且笨重，在当时进口小功率UPS的冲击下都没形成产品而无声无息的退出了。

到此，旋转发电机式UPS和静止变换式UPS开始分道扬镳走上了各自发展的道路。图7示出了UPS

图7  UPS技术发展路线图

技术发展路线图。

1980年美国国际动力公司（IPM）首先推出了脉宽调制式高频脉冲逆变器UPS。这个技术是美国库伯博士上世纪70年代推出的电路，也早已广泛应用到各类直流电源上。UPS逆变器这种结构和远离的变化

图8  脉宽调制式高频脉冲逆变器原理电路图

使得工频机UPS的这一关键电路已经工作在多倍工业频率而进入高频机范畴。但由于某种原因使得整流器仍然采用工作在工业频率的可控硅器件。尽管如此，由于逆变器也仍然采用的是全桥电路，输出变压器照样原封不动地存在其中，这就使得该电路始终没有脱出工频机的范畴。

1980年后是UPS市场产品最活跃的年代，各种大小功率的UPS如雨后春笋般遍地发芽，美国爱克赛UPS通过水电部进入；意大利西力UPS通过纺织工业部进入；美兰日兰通过电子工业部15研究所进入，笔者出国培训后在15所的长城公司建立了第一个梅兰日兰UPS服务中心；届时力博特和艾默生的全可控硅UPS也通过自己的渠道有了装机用户，索克曼和先控也找到了自己的用户，等等。

小功率UPS也纷纷接踵而来，日本的东芝、松下、电京、汤浅、荷兰的DELTA、芬兰的Fscar都不甘落后相机进入；山特、山顿、保时等国内牌子的UPS也随着这股洪流悄然进入，山特1984年在深圳落脚并在附近建立了多个加工厂，比如深圳的中亚公司，佛山的科普器材公司和志成冠军的前身公司都在为山特加工产品；山顿在深圳的制造是由西南电子有限公司承担；由于当时这些小功率UPS进入市场比较仓促，没有向用户交代使用事项，于是山特公司北京办事处候兰女士请在下撰写了“山特UPS使用说明书”，十年后笔者被聘为技术顾问；“保时牌”UPS代理商李先生也从香港赶过来请在下撰写了“保时UPS使用说明书”。同期台湾创立牌UPS在以何春华先生为首席代表的主持下也在北京落户，后来笔者被聘为技术总监。就在这些产品的刺激下一些地方也开始了制造UPS的酝酿尝试，像熊猫、创统、冠军、科华、科士达、捷益达、East、恒电…。后来多个公司在深圳和所在城市得到了很好的发展。同期笔者也为现在火箭军的的前身“二炮”研制并做出了导弹陀螺仪小功率UPS。

80~90年代也是UPS技术广泛传播的年代，UPS逆变器的达林顿管因为是由功率晶体三极管组成，三

  图9   UPS逆变器采用几种器件的过程

极管的优点是导通压降小，管子功耗小，但有一个二次击穿的弊病，可靠性受到影响，尤其它是电流控制器件放大系数值不高，因此必须多级推动，这就是为什么采用达林顿的原因，所以在大电流时耗费驱动功率，效率低；后来出现了场效应管，由于场效应管是电压控制器件，节省功率，但导通压降大，不利于大电流输出；随着器件技术的提高终于出现了场效应管与晶体三极管组合的绝缘栅晶三极体管IGBT，为逆变器提供了方便，如图9所示。上世纪80年代日本三菱公司虽然推出了全IGBT的30kVA高频机UPS，但由于逆变器仍采用了全桥电路，输出变压器还是不能拿掉。

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