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兆瓦級積木式一對多UPS設計技術路線的研究及其應用
  • 人工智能的發展、新型制造業的興起,對使用的電能要求越來越嚴,不僅需求UPS提供精密高質量的可靠而穩定的電能,還需求具有超越傳統UPS的功能,如在UPS上增加其他功能,當環境需要UPS功能時,則保障不間斷供電,當需要應急供電時具有EPS應急供電功能,當需要有消除電網諧波時具有有源濾波功能等。面對這些繁雜的需求,采用UPS傳統的設計技術路線已經不適應,不能滿足市場的要求。積木式一對多設計技術路線應運而生。

    UPS問世到現在大約有五十年了。在這期間,UPS經歷了從后備式、互動式、在線式,從工頻機到高頻機,從方箱式到超薄式、從塔式機到機架機及機架模塊機,期間還出現過插到PC電腦中的UPS卡。從輸出交流電的UPS,又出現輸出直流電的UPS。從控制方式上看,從模擬電路到數字化DSP控制電路,以及當初功率級使用的MOS管,到如今使用IGBT管技術,單機功率從幾百伏安到幾百仟伏安,到后來的并機備份、冗余并機、增容并機等。備用時間上,從標準5~10min到可備用8h等等五花八門品種繁多。UPS技術成長很快,產品線發展也很多。但是UPS的設計技術路線都始終沒有突破性變化,一直是沿用一對一的設計思路在走,即對著一個需求(一個規格或相鄰的幾個規格)做一個技術設計方案。每一次設計,只滿足一個樣板目標需求,或是一個規格或是相鄰的幾個規格,每當出現一個非標需求時,要么束手無策,要么需要重新做設計,給設計工作帶來了很大的工作量,貽誤市場,誤了商機。
      
      不僅如此,由于UPS問世當初設計初衷,是緊緊地圍繞著電腦PC、計算機房、網路或通訊等比較單一的負載領域著手設計,然而今天UPS的應用領域已經由單一領域向著多元領域擴張,UPS的需求由標準配置向著非標配置轉變,由當初的PC為主的市場轉變與非PC并列發展的市場,由IT領域主導的市場逐步滲透到非IT各個領域。UPS市場越來越偏離了傳統的UPS應用領域。UPS負載的種類越來越多樣化,UPS規格容量朝著兆瓦級或超大型容量發展,以往的UPS只能滿足傳統的需求,新需求下的新UPS市場悄悄地在成長,如何面對和占領這些新市場是擺在我們面前一個重要課題。
      
      特別是今后人工智能的發展、新型制造業的興起,對使用的電能要求越來越嚴,不僅需求UPS提供精密高質量的可靠而穩定的電能,還需求具有超越傳統UPS的功能,如在UPS上增加其他功能,當環境需要UPS功能時,則保障不間斷供電;當需要應急供電時,具有EPS應急供電功能;當需要有消除電網諧波時,具有有源濾波功能等。
      
      如何面對這些繁雜的需求,采用UPS傳統的設計技術路線已經不適應,不能滿足市場的要求。為此我們提出了一種積木式一對多設計技術路線,供大家探討研究。
      
      1 積木式一對多設計技術路線的簡介
      
      設計技術路線系指某類產品在設計過程中,在技術綱領方面自始至終灌輸的一條主線,設計過程一直遵守這條主線展開工作。
      
      積木式一對多設計技術路線,又可稱功率單元分離式一對多設計技術路線,是指將某類產品按照產品的功能解離成若干功能單元,爾后對每一種功能單元進行系列設計,再根據用戶訂制的要求,對一次設計的功能單元的基礎件進行搭配,象壘積木式的進行二次組合設計,針對性地滿足用戶要求的產品。第一次基礎件的設計就從一系列的規格進行著手,第二次設計只是一個組合設計,可根據第一次設計出來的基礎件進行多系列多規格的搭配組合,而不是對號入座的組合,把一個設計過程分為兩段,第一段即第一次基礎件設計,把每個功能元件設計成大小不同的一類積木塊。第二階段是組合設計,只是把已經設計完工的各類基礎件得到的積木塊搭配組合成用戶需求或訂制的產品,這種設計技術路線對個性用戶、訂制用戶單件小批量產品是非常匹配的。UPS生產企業一定要有這種與訂制生產相匹配的設計技術路線。
      
      2 對積木式一對多設計技術路線舉例說明

         以UPS不間斷電源為例。
      
      (1)把UPS解離成多個功能單元(見表1)
      
      (2)根據解離表進行二次設計,按照用戶需求搭配不同的產品
      
      ①標準型:從解離表中選出標準型對應的各功能單元進行搭配;
      
      ②抗沖擊型:負載中有電動機啟動沖擊,需加大抗沖擊能力,把逆變單元和整流單元加大再搭配其他功能單元;
      
      ③加強型:負載中有周期瞬間變化負載,需要瞬時留有功能余量。特意把UPS中的功率單元加大一號,保障安全可靠;
      
      ④機箱非標型:按用戶要求的尺寸和式樣設計機箱,進行功能單元的搭配UPS產品;
      
      ⑤機內非標型:按電氣設計者的圖樣要求,圖樣中有若干與標準型UPS無關的器件,屬UPS+配電箱融合一體的訂制產品,把不同的功能單元搭配非標UPS;
      
      ⑥充電能力變化型:根據電池備用時間(從10分鐘到若干小時)搭配不同的充電能力,用充電模式并聯使用可多可少;
      
      ⑦每組電池可調節型:可根據電池的大小配置每組電池的節數,可用通常的32節、40節調整到16節、18節……等等;
      
      ⑧雙路輸入型:根據兩路市電配置兩個整流單元,兩路市電在無電池的情況下實現無縫互補供電;
      
      ⑨逆變器冗余型:根據負載的重要性配置雙逆變器UPS成為冗余型UPS;
      
      ⑩增容并機型:根據用戶要求采用多個逆變器并機增容。
      
      3 UPS的設計技術路線的剖析
      
      回顧UPS當初的問世,以及發展的過程中產品設計走過的路,可看出UPS技術范疇雖然屬于電力電子技術。但由于UPS是從電子產品發展而來,難免沾染上許多電子產品的設計慣性,沿著電子產品的技術路線來設計。因此早期的UPS的設計,其電子元件和電力元件放在一個PCB板上,即弱電與強電不分。一對一設計,即一次只能設計一個規格,最為代表性的產品,即小功率的后備式UPS或互動式UPS等,只能適應小容量的UPS。我們稱為第一種的UPS設計技術路線,即強弱電不分一對一的設計路線。后來由于UPS功率的變大,UPS的PCB板上的強電和弱電不能放在一體,只好將弱電元件與強電元件進行分離,但仍然遵循著一對一的設計,這種設計適應標準型中等容量的UPS,我們稱為第二種設計技術路線。將UPS進一步按照功能單元分離,開展一對多設計。這種方法我們稱為第三種設計技術路線,這技術路線對大規格、超大規格兆瓦級UPS設計非常方便,對非標準配置的UPS設計很靈活很適應。
      
      表2給出了三種UPS設計技術路線的優缺點。
      
      從以上分析可以看出,三種設計技術路線各有優缺點,各有用場,對于非標UPS、訂制型UPS,特別是兆瓦級UPS,選用第三種設計技術路線是非常合適的。
      
      4 積木式一對多設計技術路線的應用
      
      由于我們公司產品的特殊性存在單件。小批量、規格多、容量大、按設計者需求訂制生產等特點,因此在10年前我們就對EPS、UPS、SPS三種產品實施了積木式一對多的設計技術路線。10年以來,我們采用這種設計路線,非常便捷地生產了幾千臺訂制產品和幾十臺兆瓦級的電源產品。自接單開始,從組合設計、機箱加工、功能單元的組裝與采購到產品總調試,短的15天、長的30天就可以交付用戶滿意的產品,尤其是對一些兆瓦級的非標訂制產品在很短的周期就可交付用戶,如果不是采用這種積木式一對多的設計技術路線,那是很難辦到的。值得一提的事,上述三種電源產品的核心部件-逆變器都是一樣的,EPS、UPS、SPS三種產品都用這種逆變器,在生產中不用增大庫存,充分共享,對生產技術管理帶來很多好處。
      
      下面介紹的兩個產品均為積木式一對多設計技術路線的應用實例。
      
      圖1是為國外生產線供電的積木式2MVA變頻變壓電源。輸入380V/50Hz,輸出440V/60Hz。圖2為1,25MVA積木式船舶岸電電源,可為船舶24h連續供電。輸入380V/50Hz,輸出460V/60Hz。
      


      5 結束語
      
      通過10年的實踐應用,我們認為這種積木式一對多設計技術路線非常適應于訂制、單件、非標、大容量等特點的生產企業,是一種值得推廣應用的一種好的設計技術路線。
      
      作者簡介
      
      隋學禮,1951年生,青島創統科技集團有限公司總裁,應用研究員,全國電力電子學標準化技術委員會逆變電源分技術委員會副主任,山東省機器人研究會會長,青島市工程師協會會長。自1990年至今,28年一直從事UPS、EPS、SPS的技術研究與產品開發及其市場應用,具有多項發明專利和軟件著作權,參與13項UPS、EPS、SPS電源產品國家標準的制定,是EPS電源產品命名者和產品創始人之一,是船舶用兆瓦級SPS創始人,并獲教育部二等獎、獲中國機械工業科學技術獎特等獎。
      
      編輯:Harris
      
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