实现ups高可靠性的技术措施

实现 UPS高可靠性的技术措施Technical Measures to Realize High reliability of UPS 暨南大学电力电子研究所徐永福（广州 510630）1引言产品长期运行的可靠性，所有用户都是非常关心的。众所周知，可靠性是衡量产品质量的重要指标。尤其是 UPS这类特殊产品，作为电脑系统的“保镖”、“心脏”，其可靠性更显得重要，也是一些特殊用户极为关注的。产品可靠性的内容包括固有可靠性及使用可靠性两个方面。固有可靠性是指产品从设计到制造整个过程所确定的内在可靠性，它是产品的固有属性；使用可靠性是指产品在实际使用过程中的人为因素及环境因素（包括安装技巧、维护技术、环境状况、操作人员素质等）对产品的寿命及功能发挥产生的重大影响。产品可靠性的数量指标有：可靠性、失效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度、重要度等。对于 UPS这类可修复的产品，我们常用平均无故障时间 MTBF（MeanTimeBetweenFailures）和平均维修时间MTTR来表示。MTBF 越大越好，不同品牌 UPS有不同的 MTBF，现有单机的 MTBF从 10万小时到 330万小时，因此 UPS的可靠性指标是有很大差别的。还有一点需特别指出：是逆变器输出的 MTBF还是加有旁路系统（BYPASS）的 MTBF？这是有很大区别的。据有关资料介绍，两者相差约 15倍。例如，加有旁路系统 UPS的 MTBF为 20万小时，那么仅逆变器输出的 MTBF约 1.4万小时，因此用户应了解 MTBF的含义，避免误导。另一方面，MTTR 数值越小越好。对于单机运行的 UPS来说，当逆变器出现故障时，会转换至市电旁路供电，虽然是不间断供电，但此时负载是由市电供电，其市电质量如何却无法保证，因此需要迅速修复逆变器，保证负载由逆变器供电，但修复时间是由售后服务响应时间和现场维修时间决定的。售后服务响应时间，对不同的代理商可以有很大的区别；现场维修时间一般为 1至几小时之间。如果缺乏维修备件或技术不熟练，MTTR 将会延长。分析 UPS的可靠性，必须从产品的设计、研制、生产及使用等过程中去讨论。2UPS关键功率器件 IGBT/IPMUPS 基本原理是 AC/DC及 DC/AC两个变换，其变换的核心功率器件，MUPS（注 M外国某公司代号）从 60年代的可控硅（SCR）、70 年代的达林顿晶体管（GTR）、80 年代的场效应管（MOSFET）到 90年代的智能化的绝缘栅双极型三极管（NEWIGBT，IPM），其实 MUPS 的发展历史，就是功率器件发展的历史，功率器件的优劣，直接决定 UPS质量的高低。目前 MUPS 是采用第三代 IGBTA级 IPM，它是世界第一品牌的功率器件。该器件模块内置驱动电路及短路、过流、过温、控制电源失效等保护，具有高功率、高速开关、低驱动功率、低运行功耗等优点；同时由于是 M公司自己独立开发生产，对其器件的物理参数及其性能特点掌握非常清楚，因而在电路设计上能更好匹配，发挥其更大的功效，并带来较高的可靠性。3电路设计的全数字化和集成化（1）MUPS 不仅 DC/AC采用数字化，而且 AC/DC也采用高频 PWM数字化技术，因而 MUPS 从ACDCAC 全过程皆为数字化，变换、控制、反馈、测量、显示、通讯等均采用新颖的数字技术。（2）MUPS 采用数字信号处理器 DSP（DigitalSignalProcessor）控制技术。由于 32位数字器件的出现以及达到 10ns的运算速度，因而获得了极其精确和快速的控制能力。（3）MUPSACDC 及 DCAC 分别单独采用 DSP控制，而且输入部分与输出部分的系统控制也由 DSP控制，它们组成一个非常完善的负反馈系统，不管输入端市电如何变化及输出端负载如何变化，都能使UPS保持稳定可靠工作。（4）MUPS 采用大规模的半导体专用集成电路（ASIC,ApplicationSpecifiedIG,DSP）所构成的直接数字控制 DDC（DirectDigitalControl），有别于其他品牌 UPS所采用的较落后的微机控制技术，因而使 MUPS 控制更准确、更精密、更可靠。（5）MUPS 采用电压反馈、电流前馈、电流局部循环等专利技术及采用 DSP控制方式，使其 UPS在100非线性负载满负荷时，输出电压波形的失真度仍非常小，明显优于其他品牌只采用电压反馈的UPS。（6）全数字化的设计，使 MUPS 具有非常良好附表 MUPS 检测结果序号项目名称单位标准与要求（输出电流电压为额定值、输入电压）检测结果 检测结论4输入电压范围V3kVA（非在线式）22010 153KVA（在线式）22010 153-10KVA（在线式）220/38010 1510KVA（在线式）38010 153kVA（非在线式）220 3kVA（在线式）220 310kVA（在线式）220/380 10kVA（在线式）380 260440（15.8 ,31.6）合格的自我诊断功能，能迅速排除故障的征兆，从而提高可靠性。（7）大幅度减少零件数量，从而大大降低了故障发生率，提高了 UPS的可靠性。MUPS 也曾用过“六脉冲整流”，“十二脉冲整流”的传统电路，当研制出新型功率器件（NEWIGBTPIM）后便迅速把 ACDC 的变换从模拟方式变为数字方式，从而使 MUPS 摆脱传统的、落后的技术，而一跃成为世界著名品牌的 UPS。MUPS 制造商的概念是采用最现代技术，使其 UPS获得高性能和高可靠性。全面质量管理（TQC 循环）就是 UPS产品在开发设计、生产制造、售后服务三个环节上不断循环，以求用户满意。4优异的技术指标用户对 UPS不外乎要求优异的技术指标和高可靠性。MUPS 具有下述优异技术指标：（1）高输入功率因数。输入功率因数实测为 0.999。这不仅具有减少电网污染及市电无功损耗的环保与节能双重功能，而且还能以 1：1 的功率比来配备自备发电机，而其他品牌 UPS则可能需要 22.5 倍发电机功率的配置，这无形提高了 MUPS 与自备发电机匹配运行的可靠性。另外，由于高输入功率因数，不仅可减少 UPS配电设备（变压器、断路器、电缆、进相电容等）的容量，减少投资，而且更重要的是提高了系统（包括输入配电）运行的可靠性。（2）宽输入电压范围。输入电压允许范围为1530，在中大功率 UPS当中还未见到另一品牌 UPS经过权威单位检测达到此指标，如附表所示。当市电超出输入电压范围时，将起动电池供电，长期如此，将大大降低蓄电池的使用寿命，不但增加UPS运行成本，而且最重要的是当需要电池供电时，电池可能已“过放”造成停电事故，降低了 UPS系统运行的可靠性。（3）低直流总线（BUS）波纹系数。“六脉冲整流”是低频（50Hz）工作，而 ACDC 变换器是高频(810kHz)PWM 变换，因此直流滤波电容将大大减少。“六脉冲整流”为了降低直流 BUS纹波，常采用数十只大容量电容并联，为了降低成本常选用电解电容，但电解电容在长期工作后常发生电解液干涸及漏电严重的现象。这些都是引起 UPS不可靠工作的常见原因。MUPS 由于采用“高频整流”，因而滤波电容容量可降至电解电容的 1/10，因此电容故障率可大为降低。（4）低输出谐波失真。在 100的非线性负载下，输出电压波形失真度为：THD3，而其他品牌一般为 THD5。从百分数看起来相差不大，但这是一个从量变到质变的过程，降低 THD12，需要采取多方面电路设计措施。如果没有全数字化技术，没有双 DSP控制是很难达到此指标的。众所周知，UPS大部分故障是由于非线性负载瞬间变化的冲击造成的，MUPS 对非线性负载的适应能力是很强的，故可靠性是很高的。（5）混合型晶闸管开关。MUPS 从逆变器输出切换至旁路是采用可关断晶闸管（GTO）的静态开关与电流接触器并联方式，既满足了高速切换，而 GTO器件又可以采取自冷方式，因此 UPS体积小，而且提高了效率及可靠性。（6）市电输入具有软起动功能。当输入交流电源恢复时，由于 MUPS 设计有软起动功能，使输入电流缓慢上升，减少了 UPS对输入电源的冲击，无论是由市电或自备发电机供电，都有利于提高转换的可靠性。（7）逆变器输出端无晶闸管静态开关。MUPS 由 IGBT/IPM功率器件组成的逆变器能够抑制瞬时大电流冲击，无需在 UPS逆变器输出端接上其他品牌 UPS都必须接入的晶闸管静态开关，此技术使 MUPS获得更高的效率和更高的可靠性。（8）交流和直流功率分配功能。当 UPS由自备发电机供电时，而自备发电机容量又不足，则 UPS可以将输入容量限制在自备发电机的最大输出容量，不足部分则可由蓄电池供给，这样可以提高供电系统运行的可靠性。（9）三相独立控制功能。MUPS 采用三相独立，瞬时波形控制，输出端可适用于单相或三相负载，同样可以提高供电系统运行的可靠性。（10）非线性负载适应功能。MUPS 由于采用数字化及快速反馈技术，负载波峰因数比 CF=3.6，对于 100非线性负载从空载（0）到满载（100）跳变，输出端电压的变动也极其微小，从而大大提高其适应任何负载运行的可靠性。5高超的冗余并机技术大功率 UPS虽然可靠性提高，但由于使用环境的突然变化（如市电电压超出范围、负载瞬间故障）、运行人员的错误操作、UPS 本身零件的老化、个别元器件早期失效等因素都会导致 UPS发生故障，对诸如金融、航空、医疗、邮电、交通、国防等系统要求供电质量很高的负载，还必须进一步提高 UPS的可靠性。近年来世界上发展了多种方法来扩展大功率 UPS系统的平均无故障时间，其中冗余并机技术发展较为迅速。冗余方法确能提高 USP系统的可靠性，但如何实现“冗余”却是值得研究的问题。MUPS 由于采用全数字化电路设计，因而具有高超的冗余并联运行技术，有别于并机柜、并机板、并机模块及无线并机等并机方案。（1）并机运行的 UPS配备独立的电压与相位控制，没有公共控制部分，不存在“瓶颈”现象。（2）并机调试非常简单，只须每台 UPS参数设置好后，即可投入并联运行，不需要像有些品牌 UPS要在满负荷运行时调节功率均分。（3）由于 MUPS 全数字化控制及软件设置参数，并机运行的每台 UPS输出波形、相位及电压值都非常一致，因此并机环流几乎为零，这样除了提高运行效率外，更重要的是提高并联联运行的可靠性。（4）在没在并机柜的条件下，可以多机并联运行。理论上不受并机台数的限制；目前已投入实际运行的系统为 8台 UPS并联运行。（5）在并联系统中的一台 UPS发生故障及正在维修时，负载仍能保证由 UPS供电，不像有些品牌UPS需要转入维修旁路，MUPS 能真正做到脱机维修，这是提高并机系统可靠性的关键所在。（6）超长的平均无故障时间，两台 UPS并联加上静态旁路系统，使 MTBF数值大幅度提高。由于 MUPS 采用优化的设计、先进的工艺、严格的生产管理，使其具有很高的固有可靠性；同时由于 MUPS 采用高质量、高可靠的功率器件 IGBT/IPM，全数