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EMC問題來源
所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續性電壓電流變化,有時變化速率還相當快,這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量,而相應的電路則會將這種能量發射到周圍的環境中。
EMI有兩條途徑離開或進入一個電路:輻射和傳導。信號輻射是藉由外殼的縫、槽、開孔或其它缺口泄漏出去;而信號傳導則藉由耦合到電源、信號和控制在線離開外殼,在開放的空間中自由輻射,從而產生干擾。
很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現,大多數時候下面這些簡單原則可以有助于實現EMI屏蔽:從源頭處降低干擾;藉由屏蔽、過濾或接地將干擾產生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等。EMI抑制性、隔離性和低敏感性應該作為所有電路設計人員的目標,這些性能在設計階段的早期就應完成。
對設計工程師而言,采用屏蔽材料是一種有效降低EMI的方法。如今已有多種外殼屏蔽材料得到廣泛使用,從金屬罐、薄金屬片和箔帶到在導電織物或卷帶上噴射涂層及鍍層(如導電漆及鋅線噴涂等)。無論是金屬還是涂有導電層的塑料,一旦設計人員確定作為外殼材料之后,就可著手開始選擇襯墊。
金屬屏蔽效率
可用屏蔽效率(SE)對屏蔽罩的適用性進行評估,其單位是分貝,計算公式為
SEdB=A R B
其中 A:吸收損耗(dB) R:反射損耗(dB) B:校正因子(dB)(適用于薄屏蔽罩內存在多個反射的情況)
一個簡單的屏蔽罩會使所產生的電磁場強度降至初的十分之一,即SE等于20dB;而有些場合可能會要求將場強降至為初的十萬分之一,即SE要等于100dB。
吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量,吸收損耗計算式為
AdB=1.314(f?σ?μ)1/2?t
其中 f:頻率(MHz) μ:銅的導磁率 σ:銅的導電率 t:屏蔽罩厚度
反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產生源的性質以及與波源的距離。對于桿狀或直線形發射天線而言,離波源越近波阻越高,然后隨著與波源距離的增加而下降,但平面波阻則無變化(恒為377)。
相反,如果波源是一個小型線圈,則此時將以磁場為主,離波源越近波阻越低。波阻隨著與波源距離的增加而增加,但當距離超過波長的六分之一時,波阻不再變化,恒定在377處。
反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化,因此它不僅取決于波的類型,而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用于小型帶屏蔽的設備。
近場反射損耗可按下式計算
R(電)dB=321.8-(20?lg r)-(30?lg f)-[10?lg(μ/σ)] R(磁)dB=14.6 (20?lg r) (10?lg f) [10?lg(μ/σ)]
其中 r:波源與屏蔽之間的距離。
SE算式后一項是校正因子B,其計算公式為
B=20lg[-exp(-2t/σ)]
此式僅適用于近磁場環境并且吸收損耗小于10dB的情況。由于屏蔽物吸收效率不高,其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加,所以校正因子是個負數,表示屏蔽效率的下降情況。
EMI抑制策略
只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低,另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低,還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率。綜上所述,選擇用于屏蔽的高導磁性材料非常復雜,通常要向EMI屏蔽材料供貨商以及有關咨詢機構尋求解決方案。
在高頻電場下,采用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果,但條件是屏蔽必須連續,并將敏感部份完全遮蓋住,沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的,由于屏蔽罩要分成多個部份進行制作,因此就會有縫隙需要接合,另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便黏著與附加卡或裝配組件的聯機。
設計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產生孔隙,而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙。制造、面板聯機、通風口、外部監測窗口以及面板黏著組件等都需要在屏蔽罩上打孔,從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免,但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。
任一頻率電磁波的波長為: 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz)
當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發射頻率越高衰減越嚴重,因為它的波長越短。當涉及到高頻率時,必須要考慮可能會出現的任何諧波,不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。
一旦知道了屏蔽罩內RF輻射的頻率及強度,就可計算出屏蔽罩的大允許縫隙和溝槽。例如如果需要對1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會開始產生衰減,因此當存在小于150mm的縫隙時,1GHz輻射就會被衰減。所以對1GHz頻率來講,若需要衰減20dB,則縫隙應小于15 mm(150mm的1/10),需要衰減26dB時,縫隙應小于7.5 mm(15mm的1/2以上),需要衰減32dB時,縫隙應小于3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。
可采用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內,從而實現這種衰減效果。
屏蔽設計難點
由于接縫會導致屏蔽罩導通率下降,因此屏蔽效率也會降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比,例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時,可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性;另一種實現較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物,如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。
多孔薄型屏蔽層:多孔的例子很多,比如薄金屬片上的通風孔等等,當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式
SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o:截止頻率 n:孔洞數目
注意此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況,也可用于計算金屬編織網的相關屏蔽效率。
接縫和接點:電焊、銅焊或錫焊是薄片之間進行永久性固定的常用方式,接合部位金屬表面必須清理干凈,以使接合處能完全用導電的金屬填滿。不建議用螺釘或鉚釘進行固定,因為緊固件之間接合處的低阻接觸狀態不容易長久保持。
導電襯墊的作用是減少接縫或接合處的槽、孔或縫隙,使RF輻射不會散發出去。EMI襯墊是一種導電介質,用于填補屏蔽罩內的空隙并提供連續低阻抗接點。通常EMI襯墊可在兩個導體之間提供一種靈活的連接,使一個導體上的電流傳至另一導體。
封孔EMI襯墊的選用可參照以下性能參數: .特定頻率范圍的屏蔽效率 .黏著方法和密封強度 .與外罩電流兼容性以及對外部環境的抗腐蝕能力。 .工作溫度范圍 .成本
大多數商用襯墊都具有足夠的屏蔽性能以使設備滿足EMC標準,關鍵是在屏蔽罩內正確地對墊片進行設計。
墊片系統:一個需要考慮的重要因素是壓縮,壓縮能在襯墊和墊片之間產生較高導電率。襯墊和墊片之間導電性太差會降低屏蔽效率,另外接合處如果少了一塊則會出現細縫而形成槽狀天線,其輻射波長比縫隙長度小約4倍。
確保導通性首先要保證墊片表面平滑、干凈并藉由必要處理以具有良好導電性,這些表面在接合之前必須先遮住;另外屏蔽襯墊材料對這種墊片具有持續良好的黏合性也非常重要。導電襯墊的可壓縮特性可以彌補墊片的任何不規則情況。
所有襯墊都有一個有效工作小接觸電阻,設計人員可以加大對襯墊的壓縮力度以降低多個襯墊的接觸電阻,當然這將增加密封強度,會使屏蔽罩變得更為彎曲。大多數襯墊在壓縮到原來厚度的30%至70%時效果比較好。因此在建議的小接觸面范圍內,兩個相向凹點之間的壓力應足以確保襯墊和墊片之間具有良好的導電性。
另一方面,對襯墊的壓力不應大到使襯墊處于非正常壓縮狀態,因為此時會導致襯墊接觸失效,并可能產生電磁泄漏。與墊片分離的要求對于將襯墊壓縮控制在制造商建議范圍非常重要,這種設計需要確保墊片具有足夠的硬度,以免在墊片緊固件之間產生較大彎曲。在某些情況下,可能需要另外一些緊固件以防止外殼結構彎曲。
壓縮性也是轉動接合處的一個重要特性,如在門或插板等位置。若襯墊易于壓縮,那么屏蔽性能會隨著門的每次轉動而下降,此時襯墊需要更高的壓縮力才能達到與新襯墊相同的屏蔽性能。在大多數情況下這不太可能做得到,因此需要一個長期EMI解決方案。
如果屏蔽罩或墊片由涂有導電層的塑料制成,則添加一個EMI襯墊不會產生太多問題,但是設計人員必須考慮很多襯墊在導電表面上都會有磨損,通常金屬襯墊的鍍層表面更易磨損。隨著時間成長這種磨損會降低襯墊接合處的屏蔽效率,并給后面的制造商帶來麻煩。
如果屏蔽罩或墊片結構是金屬的,那么在噴涂拋光材料之前可加一個襯墊把墊片表面包住,只需用導電膜和卷帶即可。若在接合墊片的兩邊都使用卷帶,則可用機械固件對EMI襯墊進行緊固,例如帶有塑料鉚釘或壓敏黏結劑(PSA)的“C型”襯墊。襯墊黏著在墊片的一邊,以完成對EMI的屏蔽。
襯墊及附件
目前可用的屏蔽和襯墊產品非常多,包括鈹-銅接頭、金屬網線(帶彈性內芯或不帶)、嵌入橡膠中的金屬網和定向線、導電橡膠以及具有金屬鍍層的聚氨酯泡沫襯墊等。大多數屏蔽材料制造商都可提供各種襯墊能達到的SE估計值,但要記住SE是個相對數值,還取決于孔隙、襯墊尺寸、襯墊壓縮比以及材料成分等。襯墊有多種形狀,可用于各種特定應用,包括有磨損、滑動以及帶鉸鏈的場合。目前許多襯墊帶有黏膠或在襯墊上面就有固定裝置,如擠壓插入、管腳插入或倒鉤裝置等。
各類襯墊中,涂層泡沫襯墊是新也是市面上用途廣的產品之一。這類襯墊可做成多種形狀,厚度大于0.5mm,也可減少厚度以滿足UL燃燒及環境密封標準。還有另一種新型襯墊即環境/EMI混合襯墊,有了它就可以無需再使用單獨的密封材料,從而降低屏蔽罩成本和復雜程度。這些襯墊的外部覆層對紫外線穩定,可防潮、防風、防清洗溶劑,內部涂層則進行金屬化處理并具有較高導電性。近的另外一項革新是在EMI襯墊上裝了一個塑料夾,同傳統壓制型金屬襯墊相比,它的重量較輕,裝配時間短,而且成本更低,因此更具市場吸引力。
結論
設備一般都需要進行屏蔽,這是因為結構本身存在一些槽和縫隙。所需屏蔽可藉由一些基本原則確定,但是理論與現實之間還是有差別。例如在計算某個頻率下襯墊的大小和間距時還必須考慮信號的強度,如同在一個設備中使用了多個處理器時的情形。表面處理及墊片設計是保持長期屏蔽以實現EMC性能的關鍵因素。
伊頓UPS電源行業信息-UPS電源報價
UPS是一種含有儲能裝置,以整流器、逆變器為主要組成部分的穩壓穩頻的交流電源。UPS作為保護性的電源設備,它的性能參數具有重要意義,應是我們選購時的考慮重點。市電電壓輸入范圍寬,則表明對市電的利用能力強(減少電池放電)。輸出電壓、頻率范圍小,則表明對市電調整能力強,輸出穩定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩定性,而電壓穩定度則說明當UPS突然由零負載加到滿負載時,輸出電壓的穩定性。
UPS電源市場在經歷多年整合、重組、洗牌之后形成了品牌大集中的局面,整合管理,重新梳理渠道,建立一個完善的分銷渠道體系。伊頓收購山特,即擁有面向高端市場的解決方案,又擁有了面向消費類市場的山特系列產品;APC并入施耐德之后,梅蘭日蘭和APC產品形成極大互補優勢;而國內廠商中,科士達更是在延續多年行業市場的同時,攜旗下“友電”子品牌,開始沖擊沉寂多年的國內UPS電源分銷市場。
云計算給UPS帶來的機遇
隨著云計算應用的不斷深入,未來中國數據中心市場將迎來新的跨越發展期,下一代數據中心將被打造成動態、智能、綠色、可擴展的云計算平臺,要實現這些,用以保障基礎設施無障礙運行的UPS同樣面臨著挑戰。
因為應用外包、信息托管以及以提供虛擬冗余為目的的重復數據存儲和更新等云計算服務都將大幅度增加互聯網流量以及云計算服務器所處理的數據量,這些新增流量都需要UPS的保護,所以云計算技術不但不會取代UPS電源,還將推動市場對UPS電源的總體需求。總體需求也朝著標準化、高可靠性應用性、綠色節能方向發展。
云計算帶來的第一個要求就是標準化,作為全球優秀的關鍵電源與制冷服務提供商,來自施耐德電氣IT事業部大中華區副總裁兼數據中心業務總經理曲穎表示:“施耐德電氣旗下APC的產品無論是UPS還是供配電模塊完全是標準化,可以通過熱通道遏制系統和InRow這種制冷,讓我們的制冷變成標準化和模塊化。接下來怎么樣有效管理模塊化的組建,我們擁有StruxureWare數據中心管理軟件平臺,它能夠把數據中心里面的樓宇、配電、供電、制冷,以及實際運營情況,完全監控起來,后匯總到一個界面里面,讓你一目了然。增加設備和減少設備的時候,它會提醒你所有可以影響到關聯的應用。我們的產品和解決方案完全能滿足標準化的要求。”
如果說互聯網的發展改變了世界,現在云技術的出現使這種改變世界的能力更加大幅提高,UPS作為數據中心基礎設施的重要環節,也正在把云的概念引入到UPS電源系統里。伊頓作為全球優秀的多元化能源管理解決方案制造商,基于云計算的概念推出了兩項UPS電源的新技術,伊頓北亞區技術總監王偉介紹說:“云計算是按需分配資源,UPS也希望借助按需分配來建立一個數據中心供電的能效優化模式,為此伊頓在全球推出了UPS模塊休眠這一業界優秀技術。當設備計算量不大的低負載狀態時,部分模塊自動進入休眠狀態,隨著計算量的增長,模塊也會自動依次啟動并投入正常工作狀態,完全實現了按需作業,由此在提高了供電安全性的同時,減少了能源的消耗和IDCPUE值。”
UPS的發展方向
1.一個智能化的UPS的硬件部分,基本上是由普通的UPS加上一臺微機系統組成。微機系統通過各類信息的分析綜合,除完成UPS相應部分正常運行的控制功能外,還應完成以下功能(德國AEGSVSProtect系列UPS已經實現這一點);
2.完全數字化
AEGSVSProtect系列UPS采用新的數字信號器DSP,實現了UPS系統的100%數字化運行。在此系列UPS中,AEGSVS公司還采用了三重微處理器冗余系統,用三個有獨立供應電源的微處理器來控制整流器、逆變器和靜態電子旁路,因而更高地提高了系統的數字化程度和可靠性。
3脈沖整流技術
AEGSVSProtect系列機型采用12脈沖整流器。采用12脈沖整流器的明顯好處是:將UPS的輸入功率因數有效值PF提高到0.95以上,將UPS的總輸入偕波電流分量下降到8%以下,因而也降低了輸入電壓偕波失真度;12脈沖整流器,再加上內置輸入隔離變壓器,大大提高了UPS電源對外界瞬態尖峰*的保護能力。
輸入直流電源所包含的交流紋波分量少,有利于延長電池的壽命。(比較:6脈沖整流器需要在前端加上L-C輸入濾波器后才可以將UPS的輸入功率因數有效值PF到0.95以上,但其總的電流偕波分量只是從原來的30%下降為10%左右,而且如此以來將大大增加UPS的總體成本。
4.高頻化
第一代UPS的功率開關為可控硅,第二代為功率晶體管,第三代為場控型器件(MOSFET和IGBT)。功率晶體管開關速度比可控硅要高一個數量級,場效應晶體管MOS-FET比功率晶體管要高一個數量級,而IGBT功率器件電流容量比MOSFET大得多,且導通電阻小,工作頻率比MOSFET低,但也可以使功率變換電率的載波頻率高達50KHz。變換電率頻率的提高,使得用于濾波的電感、電容大大減少,UPS效率、噪音、體積、動態響應特性和精度大大提高。
5.冗余并機技術
德國AEGSVS公司開發新的應用技術,目前其并機技術可說是處于業界優秀地位。通過幾個UPS冗余并機運行,可以更進一步提高系統的供電可靠性。冗余運行意味著在負載基本需求之外至少再安裝一臺UPS。通過CAN總線技術,可組成UPS系統(至少兩臺UPS)
AEGUPS并機運行模式不需另外加設中央控制部件,負載均分。如果某一臺UPS單機發生故障,則被立刻關閉,其他的UPS系統會自動承擔全部載,對負載不會產生任何影響。AEG通過少有的靈活多主機技術(FMMT)來保證系統安全可靠萬無一失。AEG的CAN總線高速、有效的通訊實現了FMMT技術。如果兩個主機的任意一個出現故障,另一臺機將會即刻自動地接管主控功能。
6.綠色化
各種用電設備及電源裝置產生的偕波電流及滯后電流嚴重污染電網,隨著各種政策法規的出臺,對無污染的綠色電源裝置的呼聲俞來育高。UPS除加裝高效輸入濾波器外,還應在電網輸入端采用功率因數校正技術,這樣既可消除本身由于整流濾波器電路產生的偕波電流,又可補償功率因數,使UPS的輸入功率因數達0.98以上。
UPS的未來市場展望
在計算機網絡以及通信事業迅猛發展的推動下,當今UPS已在大量引進微處理監控技術的基礎上發展成為一種能在UPS網絡和計算機網絡之間建立起雙向通信調控管理功能。UPS網絡化有兩方面的含義。一是UPS及其監控系統與其所保護的負載——計算機或局域網絡間的交互作用。當電源出現異常時,UPS內部的微控制器會及時把異常信息發送給它所保護的計算機或局域網,并發出告警信息,提醒操作員或網絡管理員及時處理,并在UPS供電時間結束前自動中止計算機或局域網的運行,并將現場信息自動存盤。通過MODEM向有關人員發出EMAIL、BP-CALL等,在這個意義上UPS是其保護網絡的幾個節點。另一方面的含義是把UPS當做廣義網絡的一個獨立節點并裝上通信適配器,給UPS分配獨立的IP地址。這樣,網管員或被授權人可在網絡的任何地方通過網絡像管理計算機一樣對UPS的情況進行實時遠程監控,利用這種控制功能用戶可在計算機網絡終端上實時監控UPS的運行參數。此外,用戶還可以在計算機網絡終端上對UPS的輸出執行定時的自動開機、自動關機操作。在自動完成將程序和數據轉入磁盤操作之后,再自動“關閉操作系統”。這樣有序的關機操作,將確保用戶的軟件和數據的安全可靠。
近十年來,隨著電信產業的大發展和信息技術水平的飛速提升,大功率UPS電源得到了廣泛的應用。作為不可或缺的通信領域的“守護神”,大功率UPS不僅能夠防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害,保障通信運營商的業務連續性,更可以有效消除電網雜波,保持電網電壓和頻率的穩定,從而為不斷更新的通信設備和網絡設備系統提供高質量的電源供應。
技術創新,一直是高端UPS市場競爭的核心。從應用上來看,包括UPS在內的動力平臺是網絡平臺正常運行的強大基礎,信息網絡技術的躍升必然反映到動力平臺之上,并對動力系統提出了更為苛刻的要求。比如,如何大程度地提升可靠性與可用性,如何盡可能地消除諧波污染,如何做到能效的大化,同時又不犧牲系統的可靠性等等。UPS產品提供商必須立足客戶需求,不斷尋求技術上的突破,很好地解答這些問題。
另外,整個行業繼續沿著提供整體解決方案的方向發展。隨著網絡應用的深入,用戶需求的個性化差異更大,不但要求UPS產品具備相當的可靠性與穩定性,而且更加關心整個供電系統甚至支持整個數據中心業務的物理基礎設施的可靠性和穩定性,要求廠商能夠提供電源系統的全方位解決方案、工程施工建議及完善的售后服務,以降低系統的維護管理成本