兆瓦级积木式一对多UPS设计技术路线的研究及其
UPS问世到现在大约有五十年了。在这期间,UPS经历了从后备式、互动式、在线式,从工频机到高频机,从方箱式到超薄式、从塔式机到机架机及机架模块机,期间还出现过插到PC电脑中的UPS卡。从输出交流电的UPS,又出现输出直流电的UPS。从控制方式上看,从模拟电路到数字化DSP控制电路,以及当初功率级使用的MOS管,到如今使用IGBT管技术,单机功率从几百伏安到几百仟伏安,到后来的并机备份、冗余并机、增容并机等。备用时间上,从标准5～10min到可备用8h等等五花八门品种繁多。UPS技术成长很快,产品线发展也很多。但是UPS的设计技术路线都始终没有突破性变化,一直是沿用一对一的设计思路在走,即对着一个需求(一个规格或相邻的几个规格)做一个技术设计方案。每一次设计,只满足一个样板目标需求,或是一个规格或是相邻的几个规格,每当出现一个非标需求时,要么束手无策,要么需要重新做设计,给设计工作带来了很大的工作量,贻误市场,误了商机。
不仅如此,由于UPS问世当初设计初衷,是紧紧地围绕着电脑PC、计算机房、网路或通讯等比较单一的负载领域着手设计,然而今天UPS的应用领域已经由单一领域向着多元领域扩张,UPS的需求由标准配置向着非标配置转变,由当初的PC为主的市场转变与非PC并列发展的市场,由IT领域主导的市场逐步渗透到非IT各个领域。UPS市场越来越偏离了传统的UPS应用领域。UPS负载的种类越来越多样化,UPS规格容量朝着兆瓦级或超大型容量发展,以往的UPS只能满足传统的需求,新需求下的新UPS市场悄悄地在成长,如何面对和占领这些新市场是摆在我们面前一个重要课题。
特别是今后人工智能的发展、新型制造业的兴起,对使用的电能要求越来越严,不仅需求UPS提供精密高质量的可靠而稳定的电能,还需求具有超越传统UPS的功能,如在UPS上增加其他功能,当环境需要UPS功能时,则保障不间断供电;当需要应急供电时,具有EPS应急供电功能;当需要有消除电网谐波时,具有有源滤波功能等。
如何面对这些繁杂的需求,采用UPS传统的设计技术路线已经不适应,不能满足市场的要求。为此我们提出了一种积木式一对多设计技术路线,供大家探讨研究。
1 积木式一对多设计技术路线的简介
设计技术路线系指某类产品在设计过程中,在技术纲领方面自始至终灌输的一条主线,设计过程一直遵守这条主线展开工作。
积木式一对多设计技术路线,又可称功率单元分离式一对多设计技术路线,是指将某类产品按照产品的功能解离成若干功能单元,尔后对每一种功能单元进行系列设计,再根据用户订制的要求,对一次设计的功能单元的基础件进行搭配,象垒积木式的进行二次组合设计,针对性地满足用户要求的产品。第一次基础件的设计就从一系列的规格进行着手,第二次设计只是一个组合设计,可根据第一次设计出来的基础件进行多系列多规格的搭配组合,而不是对号入座的组合,把一个设计过程分为两段,第一段即第一次基础件设计,把每个功能元件设计成大小不同的一类积木块。第二阶段是组合设计,只是把已经设计完工的各类基础件得到的积木块搭配组合成用户需求或订制的产品,这种设计技术路线对个性用户、订制用户单件小批量产品是非常匹配的。UPS生产企业一定要有这种与订制生产相匹配的设计技术路线。
2 对积木式一对多设计技术路线举例说明
以UPS不间断电源为例。
(1)把UPS解离成多个功能单元(见表1)
(2)根据解离表进行二次设计,按照用户需求搭配不同的产品
①标准型:从解离表中选出标准型对应的各功能单元进行搭配;
②抗冲击型:负载中有电动机启动冲击,需加大抗冲击能力,把逆变单元和整流单元加大再搭配其他功能单元;
③加强型:负载中有周期瞬间变化负载,需要瞬时留有功能余量。特意把UPS中的功率单元加大一号,保障安全可靠;
④机箱非标型:按用户要求的尺寸和式样设计机箱,进行功能单元的搭配UPS产品;
⑤机内非标型:按电气设计者的图样要求,图样中有若干与标准型UPS无关的器件,属UPS+配电箱融合一体的订制产品,把不同的功能单元搭配非标UPS;
⑥充电能力变化型:根据电池备用时间(从10分钟到若干小时)搭配不同的充电能力,用充电模式并联使用可多可少;
⑦每组电池可调节型:可根据电池的大小配置每组电池的节数,可用通常的32节、40节调整到16节、18节……等等;
⑧双路输入型:根据两路市电配置两个整流单元,两路市电在无电池的情况下实现无缝互补供电;
⑨逆变器冗余型:根据负载的重要性配置双逆变器UPS成为冗余型UPS;
⑩增容并机型:根据用户要求采用多个逆变器并机增容。
3 UPS的设计技术路线的剖析
回顾UPS当初的问世,以及发展的过程中产品设计走过的路,可看出UPS技术范畴虽然属于电力电子技术。但由于UPS是从电子产品发展而来,难免沾染上许多电子产品的设计惯性,沿着电子产品的技术路线来设计。因此早期的UPS的设计,其电子元件和电力元件放在一个PCB板上,即弱电与强电不分。一对一设计,即一次只能设计一个规格,最为代表性的产品,即小功率的后备式UPS或互动式UPS等,只能适应小容量的UPS。我们称为第一种的UPS设计技术路线,即强弱电不分一对一的设计路线。后来由于UPS功率的变大,UPS的PCB板上的强电和弱电不能放在一体,只好将弱电元件与强电元件进行分离,但仍然遵循着一对一的设计,这种设计适应标准型中等容量的UPS,我们称为第二种设计技术路线。将UPS进一步按照功能单元分离,开展一对多设计。这种方法我们称为第三种设计技术路线,这技术路线对大规格、超大规格兆瓦级UPS设计非常方便,对非标准配置的UPS设计很灵活很适应。
表2给出了三种UPS设计技术路线的优缺点。
从以上分析可以看出,三种设计技术路线各有优缺点,各有用场,对于非标UPS、订制型UPS,特别是兆瓦级UPS,选用第三种设计技术路线是非常合适的。
4 积木式一对多设计技术路线的应用
由于我们公司产品的特殊性存在单件。小批量、规格多、容量大、按设计者需求订制生产等特点,因此在10年前我们就对EPS、UPS、SPS三种产品实施了积木式一对多的设计技术路线。10年以来,我们采用这种设计路线,非常便捷地生产了几千台订制产品和几十台兆瓦级的电源产品。自接单开始,从组合设计、机箱加工、功能单元的组装与采购到产品总调试,短的15天、长的30天就可以交付用户满意的产品,尤其是对一些兆瓦级的非标订制产品在很短的周期就可交付用户,如果不是采用这种积木式一对多的设计技术路线,那是很难办到的。值得一提的事,上述三种电源产品的核心部件-逆变器都是一样的,EPS、UPS、SPS三种产品都用这种逆变器,在生产中不用增大库存,充分共享,对生产技术管理带来很多好处。
下面介绍的两个产品均为积木式一对多设计技术路线的应用实例。
图1是为国外生产线供电的积木式2MVA变频变压电源。输入380V/50Hz,输出440V/60Hz。图2为1,25MVA积木式船舶岸电电源,可为船舶24h连续供电。输入380V/50Hz,输出460V/60Hz。
5 结束语
通过10年的实践应用,我们认为这种积木式一对多设计技术路线非常适应于订制、单件、非标、大容量等特点的生产企业,是一种值得推广应用的一种好的设计技术路线。
作者简介
隋学礼,1951年生,青岛创统科技集团有限公司总裁,应用研究员,全国电力电子学标准化技术委员会逆变电源分技术委员会副主任,山东省机器人研究会会长,青岛市工程师协会会长。自1990年至今,28年一直从事UPS、EPS、SPS的技术研究与产品开发及其市场应用,具有多项发明专利和软件著作权,参与13项UPS、EPS、SPS电源产品国家标准的制定,是EPS电源产品命名者和产品创始人之一,是船舶用兆瓦级SPS创始人,并获教育部二等奖、获中国机械工业科学技术奖特等奖。
