根据在线式双变换UPS的设计原理:其逆变电源的频率和相位始终同步跟踪交流旁路输入电源,而因故需要它执行逆变电源供电转为市电交流旁路供电的切换操作时,采用的是“重叠供电”式的“先通后断”的切换操作方式。因此,可以确保其切换时间为零。此外,对于UPS而言,一旦其市电输入电源供电因故发生停电/闪断故障时,还可在电池组所提供的直流电支持下,确保不间断地向负载输出高品质的逆变电源,无需执行任何的切换操作。所以,在UPS的各种运行工况下,其切换时间都是零。正是基于UPS具有如此优异的技术性能,因此才将UPS选配为金卤灯照明系统的供电电源。然而,并不是所有的在线式双变换UPS都能直接用于金卤灯的照明系统。对于金卤灯的UPS供电系统而言,当传统UPS接的负载比较轻时,它似乎可以正常工作(见图12a)。然而,随着UPS负载逐渐地增大,就会出现如图12b所示的“电流谐波谐振”现象(注:由于各种UPS的SPWM型脉宽调制调控方式及参数值的设计方案的不同,其临界负载百分比为40%～50%左右)。在此条件下,用户往往会观察到金卤灯的发光亮度会出现周期性的闪烁现象。此时,如果不采取必要的技术改进措施,随着UPS负载的继续增大,就会出现因UPS的输出电压波形和输出电流波形发生严重的波形畸变,而导致UPS因其输出THDV/THDI值“过大”迫使逆变电源进入自动关机状态,并进而使UPS切换到交流旁路供电状态。在此条件下,金卤灯随时有可能熄灭,导致发生上述异常现象发生的原因是,目前市场上销售的UPS均是针对信息产业用的IT设备和工控系统中的DCS设备来进行设计和生产的。当UPS在带这种负载时,面对UPS输出端的负载类型是整流滤波器(见图13a)。在这里,IT设备/DCS设备中的整流滤波器将从UPS所输出的交流电源经AC/DC变换处理,转变成IT设备/DCS设备的控制电路所需的各种低压直流电源,通常配置有“时间常数很大”的滤波器。然而,对于金卤灯照明系统而言,其输入调控特性则完全不同(见图13b)。在这里,从UPS所输出的交流电源,在其“LC型输入滤波器+镇流器”所组成的输入调控电路的控制下,经AC/AC变换处理后,再将50Hz正弦波的输入电源转变成金卤灯的灯管所需的50Hz方波电源,整个调控线路的“时间常数”较小。也就是说,在这里是对50Hz的交流电源进行AC/AC型的波形变换,而不是从交流电源转变成直流电源的AC/DC的变换。两者之间不仅调控原理完全不同,而且“时间常数”相差很大。在这里,还需特别说明的是:
图12 传统的UPS在带金卤灯负载时,UPS的负载对其运行特性的影响
图13 UPS与其负载输入端的不同调控关系
① 当UPS的负载为IT设备/DCS设备时,由于在它们的整流滤波器中配置有大容量的滤波电容(典型值为几万微法数量级),所以,它们允许UPS的瞬间断电时间较长(10～20ms);
② 当UPS的负载为金卤灯照明系统时,由于在其LC型无源滤波器中所配置的滤波电容的电容量较小(典型值为几十微法数量级),因此允许UPS的瞬间断电时间较短(<4ms)。
在金卤灯的50Hz正弦波形的输入电流波上叠加有大量的频率为几千赫的高频脉动电流。正是由于这种高频脉动电流的出现,极易导致UPS因产生电流谐波振荡,迫使其“实际带载量”大幅度下降。有鉴于此,为确保奥运场馆用的金卤灯照明系统能安全可靠地运行,不宜采用传统UPS供电。因此,有研发实力的UPS产品制造商有必要开发新型的“场馆专用UPS”。
6 高可靠的场馆专用UPS的运行特性
艾默生公司针对金卤灯的上述特殊运行特性,在传统在线式双变换UPS的基础上,对其SPWM脉宽调控方案及其保护参数的设置进行了5项专用技术改进,从而研发出完全能适应金卤灯的安全运行所需的场馆专用UPS。从用户应用的角度看,在带金卤灯负载时,这种场地专用UPS的带载能力得到了大幅提高。目前,这种UPS已被成功地应用到各奥运场馆的UPS供电系统中。其典型的应用案例之一是国家体育场(鸟巢/奥运会主会场)所用的由“800A的ATS开关+300kVA UPS供电系统”所组成的4套金卤灯照明系统(见图14)。这4套UPS供电系统分别为在“鸟巢”体育馆中所举办的奥运测试赛、奥运会和残奥会所用的照明系统提供了安全可靠的电源供应。