UPS电源的发展与应用

哈尔滨工业大学成人高等教育学院专科毕业论文（设计） 摘 要随着现代科学技术的进步，计算机应用日趋广泛，原来应用于通讯系统的高可靠性的稳频、稳压工频电源，由于同时应用于计算机系统而得到了进一步发展。由于市电供电容易受到干扰，如因开关负载的操作、超载、雷电袭击等干扰而产生电压大幅度波动，或者产生长时间低电压、低频率输电，更甚者是整个电力供电应用中断，这样不但影响计算机系统的工作，而且有可能损坏设备内部的贵重元件或程序资料，因而使计算机系统长期不能恢复正常使用。而自从计算机问世以来，对其供电系统的研究，就成为保证计算机系统正常运行的重要课题。计算机类设备对供电系统的要求 是比较苛刻的，它不仅要求供电系统提供高质量的电源，保证供电的连续性，还要求提供相应的环境物理条件和必要的系统安全保证措施，供电系统应有很高的可维护性和可管理性，以及能够适应计算机和网络系统不断发展变化的可扩展性。各种用电设备及电源装置产生的谐波电压和谐波电流，对市电电源是一种污染，随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色UPS的呼声越来越高。要求UPS做到使用户负载既不受已污染的市电电源的影响，同时用户负载产生的谐波电压和谐波电流也不要污染市电。尤其是在大型工厂的自动化控制中，对供电的连续性要求尤为关键，为确保设备的安全使用，必须对控制设备安装UPS不间断电源，它在确保自动化控制器安全用电的同时，也保证了设备安全和人身安全。关键词 UPS、电源污染、IGBT、数字化控制、智能化AbstractComputers are being used widely Along with the progress of the modern science and technology, The reliable and steady frequency electrical source which is used the communication system before is also being used in computer system now, which make it further evolution. The utility power is easy to disturb by the operation of the load switch, overload, lightning attacks and low voltage. Meanwhile, the whole power supply application might be interrupt, which not only affect the work of computer system, but also damage the valuable components in the equipment and programs. Thus the computer system cannot resume normal use for a long time.Since the advent of the computer, power supply system research, become guarantee the normal operation of the computer system is an important subject. Computer class of equipment for power supply system requirement is quite harsh, it requires not only provides the high quality of the power supply system, guarantee the continuity of the power supply, still ask to provide corresponding environmental physical conditions and the necessary system security assurance measures, power supply system should have high maintainability and manageability, and can adapt to the computer and network system constant development and change of expansibility. All kinds of electrical equipment and power apparatus produces harmonic voltage and harmonic current, power of time. it is a kind of pollution, with various policies and regulations and the introduction of pollution-free green UPS growing calls. Request UPS do user load neither be contaminated utility power supply, the effect of user load produced harmonic voltage and harmonic current nor pollution utility. Especially in large factory automation control, the continuity of the requirements of the power supply was key to ensure the safety equipment use, it is necessary to control equipment installation UPS, it in a safe manner in ensuring automation controller, but also ensure the equipment safety and security of person. Keywords UPS, power source pollution, IGBT, digital control and intelligent.目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 前言1第2章 概 述32.1 电网的干扰、危害以及解决方案32.2 UPS的功能4第3章UPS电源系统53.1电源工作原理53.2电源工作过程6第4章UPS电源和EPS电源主要区别7第5章UPS电压种类和发展85.1 传统的UPS85.2 微处理器数字化控制95.3 控制实施通道95.4 高速数据处理结构105.5 控制和诊断软件105.6 电池自动测试与维护系统10第6章 提高UPS可靠性的方法116.1 主/从串联热备方式116.2 初级式并联126.3 高级并联方式13第7章 提高UPS的可用性157.1 降低UPS的平均修复时间157.2 集成化UPS系统16第8章 UPS与网络和数据188.1 高可靠性188.2 高抗干扰性188.3 具有防雷击及抗浪涌的功能198.4 过载能力强198.5 智能化监控19第9章 UPS的控制技术209.1 DSP的应用209.2 控制电路的全微处理器化209.3 蓄电池技术219.4 UPS的冗余技术和在线维护219.5 智能化UPS的管理系统229.6 智能化的UPS应具备的功能22第10章 UPS的维护2410.1 第一次开机2410.2 日常开机2410.3 关机2410.4 UPS电源系统使用注意事项2410.5日常维护与检修25结 论28致 谢29参考文献3030第1章 前言在现在的许多大型企业里保证任何情况下的正常供电，是冶金行业的重要基础。为此，除工业电网正常供电外，还需配备UPS供电系统。UPS电源是保障供电稳定和连续性的重要设备，冶金行业中，工厂的网络一般被分为现场传动级，基础自动化级，过程控制级，生产管理级，它们之间相互的数据交换确保了实时控制的准确性，由于工作现场环境的不确定性，常常会造成计算机供电系统的破坏，使控制数据下放不下去，造成在轧钢生产中很大的损失。所以，在TDC、PLC等自动化控制起的组成部分里，加了许多UPS电源，来防止设备突然掉电。虽说各企业配置的UPS供电系统设备型号及系统容量有所不同，但其原理和主要功能基本相同。在UPS电源类型选择上各站都选择了在线式，这时因为在线式UPS电源系统具有对各类供电的零时间切换，自身供电时间的长短可选，并具有稳压、稳频、净化的特点。 计算机和网络系统的供电以市电为主。影响供电质量的客观因素一方面是一个地区的发电机总装机容量和配电水平、供电网络结构和配电设备以及维护管理自动化水平的落后，是供电质量差、可靠性低的重要原因；另一方面是各种不同性质的负载，特别是一些大容量感性、容性、冲击性、非线性的负载，对电网造成污染，使电网电压的幅值变化、波形畸变、频率漂移；另外，自然或人为的原因，如地震、雷击、输变电系统断路或短路等，都会危害电力的正常供应，从而影响负载设备的正常运行。供电系统除了要向负载提供高质量的电源外，保证供电的连续性已经成为重要的不可缺少的功能，不间断供电系统(UPS)就是在这种形势下应运而生的。UPS供电系统从产生到现在已有几十年的发展历程，在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，图1显示了这个变化过程。1998年以前着重追求对硬件的保护，1998年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。图1 供电系统保护功能的变化第2章 概 述近几年，以计算机网络技术，现代全球化通信技术而带动起来的信息产业的飞速发展，计算机和通讯设备等绝大部分是非线性负载。一方面他们在运行过程中产生的“谐波污染”造成电网的供电质量普遍恶化。另一方面，一些重要的用电部门（如钢铁行业、银行、机场）和一些重要的用电设备（如计算机、通信设备）对供电质量要求越来越高。电网电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长时中断，在电网上出现的各种人们无法预料和控制的干扰和高能浪涌都有可能造成计算机的硬件损坏或导致计算机错误或资料丢失，造成事故。为了满足一些设备对电源的高要求，UPS 电源系统在各行业发挥着越来越重要的作用，被人们誉为计算机信息的保护神，在世界迈进信息时代之后，信息的安全问题已经被人们广泛关注，因此在这种时代背景中，UPS的发展趋势引起业界的高度重视是顺理成章的。UPS电源以它能向用户提供具有如下优点的高质量电源而独领风骚：输出电源的精度高，工作频率稳定，电压失真小的纯正正弦波电源，输出波形不存在干扰以及不管市电供电是否正常，它都能在无时间中断的条件下向用户提供高质量的交流电源。而且，由于高智能的芯片及先进的IGBT驱动脉宽调制技术的出现，目前UPS电源的可靠性达到极高的水平。2.1 电网的干扰、危害以及解决方案造成电源污染的因素除了众所周知的电压波动，频率变化外，还有来自电网外部、内部的各种噪声和干扰。它们主要有以下几种：（1）电压浪涌：电压浪涌是指在一个周期或多个周期内，电压超过额定电压的110%。比如重型设备的关机，由于电网中电流忽然消失，其线路电感反电动势会造成电压上升，线路电阻上电压降忽然消失也会造成电压上升。（2）电压尖峰：电压尖峰是指二分之一周期至100ms期间内，叠加达60KV以上的电压脉冲。这主要由雷电、开关操作、电弧式故障和静电放电等因素造成的（3）电压瞬变：电压瞬变是指在10ms至100ms期间，叠加在市电电压上达2KV的脉冲电压，它产生的原因和电压尖峰大致相同；只是在量上面有区别。（4）噪声电压：噪声电压是指叠加在工频电压上的幅度低而频率范围宽的高频分量。这种现象在电网中很普遍，一般是由电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波空中传播，电弧焊接，远距离雷电等引起的。（5）过压：过压是指超过电网电压正常有效值一定数量的稳定高电压。一般由接线错误，电厂或电站误调整，附近重型设备关机引起。对单相电压而言，也可能是由于三相负荷不平衡或中线接地不良等原因造成的。（6）电压跌落：电压跌落是指一个或多个周期内的电压低于额定电压有效值的80%85%。这主要是由于附近重型设备的启动或电动机启动造成的。（7）欠压：欠压是指低于正常市电有效值一定值的稳定电压。这主要是由过载而造成的电网电压降低。（8）电源中断：电源中断是指超过一个周期的无电状态。消除这些电网公害影响的方法，一方面是制定有关的法规，如国际电工技术委员会制定的标准IEC5552和IEC1000-3-2，欧洲标准ASE3600以及美国标准IEEE519都对用电器给公共电网带来的危害进行了限制；另一方面就是人们用了几十年的时间来寻找解决的方法，最后才创造出UPS这样的新型设备，使电网和用电器隔离，既避免了负载对电网产生干扰，又避免了电网中的干扰影响负载。2.2 UPS的功能（1）双路电源之间的无间断相互切换功能；（2）隔离功能；（3）电压变换功能；（4）频率变换功能；（5）后备功能。第3章UPS电源系统UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产（如粗黑所示）；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。 UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。莱钢中小型棒材生产线因生产需要不允许断电，因此，UPS电源系统在检测到电网电压中断后，可自行启动供电，且随着储能电池慢慢放电，储能电池的容量随着时间会逐渐降低，考虑到寿命终止时储能电池容量下降到50并留有一定的余量，我厂UPS电源系统的工作时间当储能电池满容量时为2小时，半容量为1小时。 3.1电源工作原理 AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。 DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。3.2电源工作过程 当市电正常380Vac时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220Vac交流电压，同时市电对电流充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。为使不间断电源充分工作，避免在过载或欠载下运行，电源在开机前，首先计算负载容量。FR-UK型不间断电源（标称额定功率）80%的阻性负载设计负载能力，一般带计算机负载时可承受的按下式估算： i=1 n PiP 其中P为不间断电源输出容量（VA），P为第i个负载伏安数 每套PLC功率： 220V*0.5=110VA 每台操作站功率： 220V*2A=440VA IBM PC客户机及服务器：220V*1.5A=330VA 则总功率：10*110VA+4*440VA+11*330VA=6490VA 6490VA/0.8=8112VA 第4章UPS电源和EPS电源主要区别UPS是Uninterruptible Power Supply的缩写，就是我们经常所说的UPS不间断电源。市场上常见的UPS电源主要有在线式(Online)和后备式(Offline)两种。 EPS应急电源系统是Emergency Power Supply的缩写，是满足消防行业的特殊要求的应急电源。 一、后备式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波 二、在线互动式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点，但同样存在切换时间。 三、 在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作，由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，基本无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。目前，功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS。UPS同时具备稳压、滤波等功能，有些UPS可以在故障或过载时改由市电旁路供电。 后备式的电压输出有较大的波动，在170V-260V之间，采用高速继电器实现市电和蓄电池之间的转换，转换时间小于10毫秒。在线式始终使用逆变电路工作，其电压的稳定性高，基本上在220V5%范围内，对蓄电池基本不存在转换时间；与市电旁路转换采用静态开关，转换时间可以达到微秒级。UPS输出精度高、转换时间快，同时造价较高（约为EPS的两倍），平时能耗大（在线式），主机寿命较短（8-10年）。EPS有点类似于后备式的UPS，平时逆变器不工作，市电断电时才投入蓄电池。一般不对电源进行恒流、恒压处理。通常采用接触器转换，切换时间均为0.10.25S。其优点是结构较简单，造价较低，平时能耗小无噪音，主机寿命长（15-20年），可适应于电感性、电容性及综合性负载，需要时可实现变频软启动。 第5章UPS电压种类和发展5.1 传统的UPS一谈到UPS，人们通常想到的就是交流不间断供电系统(ACUPS) 。由于交流市电供电的普遍性及其不可靠因素的存在，实现交流不间断供电的目的，就是UPS诞生的初衷。UPS中的“S”原是System(系统)的字头，意味着要用一些功能比较单一的设备组成一个系统，以实现不间断供电的基本功能。随着技术的发展，单一设备就包含了UPS系统的完整功能。因而UPS也称为不间断电源，那么UPS中的“S”，便理解成为“设备”(Supply)。由于UPS电路设计的进步和发展，新型高效率、高性能的UPS得以开发和应用。 一、隐含的UPS通信电源中的直流供电系统和电力操作用的直流供电系统，都有极高的不间断供电要求，是隐含的直流不间断供电系统(DCUPS)。这两种系统采用了专业名称(通信、电力)来明确所对应的技术要求：如电压范围、杂音电压等；其组成系统的设备名称：如整流器、配电屏、组合电源等。使专业用途更为明确。自从城市有电话局以来，就有了通信电源的直流供电系统。采用48V作为标称电压，20、50、100、200A的高频开关整流器(模块)能并联组成3000A，甚至到10000A的系统(功率在600kW以下)，其并联、均流、冗余、热插拔、计算机监控技术成熟、可靠。直流供电系统的优点是：高度可靠、并联运行容易(只需均流)、能组成功率范围宽广的系统。这就是重要负载采用直流供电和逐渐扩展其应用专业范围的主要原因。此外，通信局站必须要有48V直流电压作为通信信号传输之用。通信电源形成和发展的有利条件：专业性强、非通信设备不容许接入、电话局专用程控交换机(大型计算机)及其他通信用设备与通信电源有统一的标准，作对口设计。二、给计算机类负载供电的UPS在电压种类上的突破在计算机高度集中的重要单位(如新闻机构等)，实现更高的可靠性、是非常必要的，将来采用直流供电系统，达到高性能、高可靠，这是一种理想。改变电压种类，实际上是在采用一种新的供电系统。为了防止与交流系统相混淆，消除危险，要强调不容许任何不符合新系统的负载接入；必须在UPS的名称前边强调其电压种类。这种新系统有其公用性，将来还要经管理机构的认可。新提出的用于计算机类负载的按电压分类的UPS有两类，其名称必须加以区分：(1)直流不间断供电系统(DCUPS)：市电(或备用交流电)供电或蓄电池供电时，UPS都输出直流电压。其电压种类与通信、电力的直流系统相同，但电压额定值不同，用途不同。是直流系统应用范围的扩展。(2)交流-直流不间断供电系统(AC-DCUPS)：这种UPS在市电(或备用交流电)供电时，输出交流电压；而在蓄电池供电时，输出直流电压。其特点是在同一组输出电压的端口上，按不定期的时间分割，输出交流或直流。这是一种新的、特定的交直流两用供电系统。6.1 UPS采用的先进技术采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，作为逆变功率器件。其主要特点如下：（1）大大降低逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗，因此，逆变器的效率提高，整机效率可达94%96%；（2）由于IGBT的开关频率在2050KHz，明显提高了逆变器的性能，使输出电压谐波含量大为减少(1.5%)，动态响应更好；（3）IGBT用于电压控制器，驱动电路简单，同时它有正方形的开关安全工作区，并有高的峰值电流容量，使逆变器可靠性进一步增加；（4）由于IGBT逆变器的高频化，减小输出交流滤波器的尺寸，也相应减小了损耗，使整机体积小，噪音低；（5）高可靠，长寿命。5.2 微处理器数字化控制控制系统采用先进的计算机数字控制技术及模拟量计算机控制技术，即通过主/协结构完成系统控制。系统由整流/充电器、逆变器、静态开关三个协处理器单元和一个模拟量计算机单元承担其所有的数据采集，模拟运算功能调整等工作，然后送到主处理器进行集中控制，综合处理，记录存档和显示最终处理信息。借助这种计算机高速数据处理技术，充分发挥其系统硬件和软件特点，提高UPS实时控制、保护和监测能力。5.3 控制实施通道 目前UPS的硬件系统基本上是由整流器、逆变器、静态开关三大部分加上微机系统所组成，其数据采集是通过极为精确的霍尔器件，以及最新高速A/D转换器，将模拟信号转换成数字形式，最终纳入协处理器和主处理器通道。根据UPS功能和用户需要，这些信号将用来实现UPS控制，调整，监测和保护之目的。分布在UPS三大部分的霍尔传感器采集两类信号：开关信号主要反应各部件开关操作，保险开关操作，热继电器等的工作状态；模拟信号反映输入、输出、电压、电流、频率以及充电电压、电流等参数。5.4 高速数据处理结构UPS控制系统中，采用计算机高速数据处理的主/协结构，增加数据采样点及数字控制诊断软件，高速A/D、D/A转换设计。UPS运行异常往往反映在各主要波形异变上，因此，对于各点取样的模拟信息必须先进行A/D转换，驱动执行机构完成最终控制。5.5 控制和诊断软件控制软件实现各类信号的采集，处理运行状态的自动监测、调整以及管理功能。诊断软件是故障诊断的专家系统。UPS出现异常后，该系统能迅速对故障进行诊断，推理，判明故障部件，通过显示器(或灯光，声音)报告给使用者，以便维修。同时自动记录信息，生成信息档案。5.6 电池自动测试与维护系统蓄电池是UPS的贮能装置。由于电池故障引起UPS系统故障的比例较高，所以对蓄电池的测试及故障诊断，显得尤为重要。电池测试维护软件定期自动检测电池性能参数，为使电池处于良好的工作状态，每隔一定周期中断UPS交流输入，使电池组带载放电，激活惰性，保持电池组原有容量。在电池放电时，自动检测电池后备容量和电压，显示屏显示检测参数，当电池组容量下降10%时，自动结束测试，以免过放电。若测得电池电压高于或等于最佳值时，则显示“电池正常”；反之，则显示“电池故障”，并有声、光报警，后备时间可能减少。 第6章 提高UPS可靠性的方法通常用两台或两台以上的单机，构成双机或多机UPS系统，提高电源供电的可靠性，使在单台UPS发生故障的同时，不会发生UPS中断供电的情况。下面几种连接方式，是目前常见的几种：6.1 主/从串联热备方式图5 主/从串联热备方式早期一般采用这种方式，它的特点是连接成本较低，技术简单，双机冗余提高了UPS电源供电系统的可靠性，但存在一些弱点：（1）UPS本身发生故障时，可能无法切换而造成输出中断当UPS内部电源板或电源模块发生故障时，UPS会立即停止工作，输出中断。此时，UPS也不可能再从静态开关转向旁路。这种情况发生在主UPS机上，这时既使UPS是好的也无济于事，整个计算机系统的供电将被中断。当UPS控制电路出现问题时，逆变器烧毁瞬时(此时不满足切换条件)及一些其它原因，也可能会出现静态开关打不开而造成中断。（2）切换瞬时输出出现间断 UPS为保证输出波形连续，采用先合后断技术，即旁路通过静态开关与逆变器输出有一叠加过程，以保证输出无间断，但这两路电压必须满足频率，相位，电压幅值完全一致，否则，将有可能造成切换过程中输出的不连续。频率正常的情况下，主UPS的负载一般为感性负载。从UPS为空载，而在电网频率偏离UPS跟踪频率范围时，UPS将启动自身晶体振荡器，由于两台UPS为独立系统，无法进行锁相跟踪，如在此时发生切换过程，输出波形将会有更大 输出间断时间。特别在主UPS逆变器发生故障，强行切换时，由于无法进行正常跟踪，将有可能出现较大的间断间时，甚至切换失败。（3）在供电系统中，增加了两个公共故障点 一旦主UPS静态开关出现故障，此时又要求切换则会造成负载供电中断。发生过载时，主/从UPS将依次转旁路，这时UPS的静态开关如出现问题，也将造成输出中断。（4）设备使用效率低在整个供电过程中，始终有一台UPS长期闲置不用，使用效率低，并且备份UPS的电池长期处于浮充状态下，电池无法放电，电池寿命大大缩短。可以增加一个主、从转换装置，定期将主机与从机进行转换，对主从机的电池轮流充放电，解决此问题。但是在主从转换过程中，从机处于空载运行状态，一旦出现切换过程，负载量将从0突变到100%，整流器和逆变器将受到大电流冲击，易于损坏，影响正常输出，甚至断电。（5）维修困难当主机发生故障，切换到从机供电时，用户负载不能停机，无法关闭UPS进行维修。一旦从机出现故障，会造成整个供电系统中断。6.2 初级式并联图6 初级并联式初级并联方式是几台(一般两台)UPS共用一组静态旁路开关，同时增加并联柜以平衡负载电流方式实现并联。由于一般UPS控制系统多为模拟反馈电路，其输出参数及特性随温度、元件参数及器件的老化而漂移，同时由于各UPS一致性较差，故这种类型的UPS无法直接并联。为了提高供电系统可靠性，需要将UPS并联使用时，为确保各并联UPS之间输出参量的一致性，达到同步运行的目的，要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS切换的一致性，必须将原有的各静态线路开关拆除，共用一组静态开关。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下弱点：（1）由于这种方式仅有一组静态开关，没有冗余备份，当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断；（2）当平衡检测环节(即并联柜)出现故障时，各UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁；（3）当负载为非线性负载，尤其是波峰因数较差的计算机或电机等负载时，因各UPS内部反馈系统参量瞬间调整，彼比互相没有关联而造成UPS动态一致性较差，因此会短时出现很大的环流，有可能造成逆变器的烧毁。6.3 高级并联方式图7 高级并联此种方法无任何独立部件，全部并联冗余，实现了真正并联，且在此系统中无需任何额外附加并联柜，可靠性极高，是目前并联技术的发展趋势。由于采用冗余式并联，负载分配均匀，设备利用率很高。高级并联工作方式，是由并联通讯板实现的，工作方式相当于计算机的并行工作原理。其中一台主机为导航UPS，假设为1#机。整个并联系统由导航UPS发出脉冲控制所有并联的UPS工作(最多可并联6台)，这时各UPS相应器件相当于并联工作。当导航UPS(1#机)出现故障或未开机时，2#机自动升为导航机，控制其它UPS，在1#机恢复正常后，又由其进行控制。而当其它UPS出现故障时，自动退出。这种连接方式优点是所有UPS均由一台UPS控制信号所控制，这样既可保证各UPS间输出参量及动态特性完全一致，又彻底解决了初级并联不可避免的内部环流问题，以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。由于这种并联通讯工作方式具有连接简单，可靠性高，动态性好等优点，已开始被广泛采用。但是此并联方法对UPS自身技术要求较高，有些UPS很难采用这种技术。第7章 提高UPS的可用性7.1 降低UPS的平均修复时间从20世纪90年代中期开始，随着信息技术的高速发展和网络时代的到来，对UPS可用性的要求越来越高。所谓UPS的可用性，其物理概念是，在规定的使用期间内，UPS的正常运行时间与整个时间的比例。根据这个定义要提高UPS的可用性有两个办法：一是提高UPS的平均无故障时间MTBF，二是降低UPS的平均修复时间MTTR。提高UPS本身MTBF的传统做法是，提高功率开关器件的规格和档次；改进控制技术，提高逻辑控制组件的规格和档次；使用更先进的主电路结构；提高智能管理和通信功能；严格生产工艺，加强质量管理(ISO9000)等。但当MTBF提高到一定程度后其效果就不明显了。用降低MTTR的办法，效果是非常明显的。降低UPS的MTTR的做法有如下几种：（1）一般的做法是加强对UPS，特别是其中的关键部件的维护；充足的备件并保证其完好性；加强对维护人员操作技能的培训，特别是用户在采购UPS时就要求厂家对售后服务(包括备件提供、反应时间和修复速度)条件做出严格承诺。（2）UPS的模块化冗余配置，把整个UPS按电路功能分成几部分，并在结构上设计成可以插拔的模块，例如功率模块(包括整流器和逆变器)、电池模块、智能管理和通信功能模块。（3）UPS的冗余并机配置，在UPS中，可以把控制电路集中起来作为一个独立的可插拔模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中，作为一个可以热插拔的模块。为了适应多台UPS并联供电，也可以把每台UPS看作一个模块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后热插拔修复，或者使每台UPS都具备直接并机的功能。（4）用集成设计提高UPS的可用性，以适应由多种设备组成供电系统的需要。集成化UPS供电系统的基本思想和原则是，供电设备制造和供应的统一化和标准化；系统中供电设备和包括负载机架结构的一体化和连接的规范化；系统中各供电设备和环节（包括负载机架中的PDU）电源状态管理的集中化；系统中各供电设备和环节结构的模块化和连接的热插拔功能。一个完整的供电系统的组成，除UPS设备外，还有输入配电柜、ATS转换开关、变压器、瞬态电压浪涌抑制器、负载配电开关柜、柴油发电机、交流稳压器、电池系统、各种开关、断路器、熔断器、转插板，上百乃至几百个连接点和相应的传输线。对于一个复杂的供电系统如何提高其可用性呢？仅仅解决UPS设备的可靠性显然是不够的，根据系统实际运行的故障数据表明，直接由于UPS故障引起系统宕机的比例毕竟是较少的，由于系统中其他设备和环节以及人为事故造成的故障，或者由此引发的UPS故障占大多数。但是模块化、冗余配置、热插拔修复等设计原则还是适用的。当然，系统中各种设备和管理的标准化、统一化和集中化，减少单路径故障点和大面积掉电的隐患，加快建设速度和安装的规范化、对环境和负载变化的适应性和系统的可扩展性、降低维护管理的难度和减少人为事故的几率等问题，也是要研究和解决的重点。图8是集成化UPS供电系统示意图，虚线框内是集成化所包含的内容。图8 集成化UPS供电系统示意图7.2 集成化UPS系统特点如下： （1）由单机模块化冗余的UPS系统组成双总线系统，是可用性等级最高的UPS供电系统； （2）UPS供电系统与数据中心一体化机架式结构，整个系统只有电网进线与外接线； （3）PDU作为基本组合的一个子系统，直接配置在标准的负载机架中；（4）该系统结构的基本组合机柜上的服务器提供了整套基础设施，这种基础设施包括IT机柜中的冷却设施、布线设施和配电设施；基础组件包含在4个子系统中，即IT机柜、机架安装PDU、环境监控以及电源和数据电缆布线。 第8章 UPS与网络和数据随着技术的发展，现在的UPS，特别是中大型UPS，不只是一台停电后可以继续向负载供电的整机产品，而且已成为一个小型的，或者说局部的高度可靠、性能齐全、高度智能化的供电中心。在网络化时代，UPS已经成为一个高度智能化的设备，它对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面的保护，使之成为不间断网络。 它具有如下技术特性： 8.1 高可靠性 具有能在365天(每天24h)连续提供高质量输出电压的供电能力。这就意味着，在UPS供电系统的运行中既不允许出现任何瞬间供电中断或停电事故，也不允许出现由市电经交流旁路直接向负载供电的局面。为此，要求UPS供电系统应满足如下要求： （1）UPS单机本身的故障率低，目前大型UPS产品的平均无故障工作时间(MTBF)可达（24）105h； （2）采用具有高度容错功能的“N1”型UPS冗余并机系统来进一步提高UPS供电系统的可靠性“11”型冗余并机系统的典型MTBF值可达（1420)105h； （3）在整套UPS供电系统中，不应存在单点瓶颈性故障隐患； （4）允许在UPS逆变器连续供电的条件下，执行不停电的维护和检修操作； （5）万一在用户设备端出现短路故障时，应将故障的影响范围缩小到尽可能小的范围。 8.2 高抗干扰性 UPS供电系统能使互联网设备获得100的高可利用率(低误码率，低数据传输丢失率、高网络接通率)，创造优良的运行环境。 大量的运行实践表明，电源干扰问题是造成互联网设备可利用率下降的重要原因之一。能否尽可能地消除电源干扰是确保信息网络能否获得100的高可利用率的关键所在。应当说明的是，电源干扰不仅来源于普通的市电电网，还来源于设计不完善的UPS本身及用户的互联网设备本身。这是因为配置在IDC(互联网数据中心)和MDC(多媒体数据中心)机房内的服务器、磁盘阵列机、交换机等均内置有开关电源。这种整流滤波型非线性负载会向UPS供电系统反射323次谐波干扰，其可能带来的后果之一是降低语音通话质量。实践证明，过大或过多出现电源干扰，轻者会导致互联网的传输速率下降、网络服务器的数据丢失率增大、Modem的上网掉线率增大等隐形故障，从而导致互联网设备被迫进入降额使用状态，严重时还会导致网络瘫痪。从这个角度来看，高速信息网络技术的迅猛发展在给UPS产业带来巨大商机的同时，也对UPS所能提供的供电质量提出更为严格的要求。 8.3 具有防雷击及抗浪涌的功能 雷击、闪电及电网上的浪涌严重威胁UPS系统和计算机网络的安全。如无相应的保护措施，将造成UPS系统及计算机网络的硬件和软件的损坏。UPS应具有这方面的保护电路，其指标应符合国家及国际安规标准。 8.4 过载能力强 由于计算机等属于整流滤波型负载，在启动时往往有较大的瞬态冲击电流，如果UPS的过载能力弱，有可能造成严重后果导致系统不能正常运行。8.5 智能化监控 在UPS和计算机网络之间建立起双向通信监控管理功能。利用监控软件管理UPS的运行、操作。当市电中断或UPS蓄电池电压处于低限时，监控软件可将计算机中的数据自动安全存盘、系统安全关机，然后关闭UPS，避免因电力突然中断而造成操作系统的损坏和数据资料的损失，以实现数据的完整性保护。第9章 UPS的控制技术中小型UPS的ACDC和DCAC变换大多数仍采用模拟控制电路，ACDC变换器的控制芯片大多数已集成化，使用简单，工作可靠。DCAC变换器的控制有两种基本方式，一种是单闭环控制，另一种是双闭环控制。前者控制电路简单，但难于实现输出端短路自动恢复。后者控制有电流内环和电压外环，电压调节器的输出为电流调节器的给定，因此，限制电流给定幅值也就限制了逆变器的最大输出电流。 当前，数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，实现多台UPS的并联和热插拔，易于实现对蓄电池的监控和管理。也就是说，计算机的介入使UPS具备了智能化，可以使其运行在最优状态。9.1 DSP的应用数字信号处理器(DSP)的数字PWM技术，是数字控制技术的核心，用于保证UPS输出电压的质量，即保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS的初始自检和运行自检，进行故障保护和故障隔离，这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性，使UPS控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维修，也大大提高了工作可靠性。9.2 控制电路的全微处理器化 UPS电路是由以下几部分组成的：主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路，可以运用数字化设计技巧简化其电路，并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是：（1）全微处理器化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能；（2）半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路，而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。9.3 蓄电池技术 蓄电池是UPS的心脏，不管UPS电路多么先进，其性能最终取决于它的电池，一旦电池失效，再好的UPS也无法提供不间断供电。目前，UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有免维护、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料，减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜，阻止了活性物质脱落，提高了电池的寿命。安全阀的使用使蓄电池很少产生气体，又可使已产生的氧气被负极铅所吸收，使蓄电池无水的损失，达到了密封免维护的目的。 一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种ABM(Advanced Battery Management)三阶段电池管理方案，即充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量充到90；第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100，然后停止充电；第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后，仍使电池处于一天24h的浮充状态，因此延长了电池的寿命。 金属化镍氢电池具有高能量密度的优点，而且又无镍镉电池可能造成的镉污染，将其应用于UPS可以收到小型轻量化的优点。但其缺点是售价太高。美国Alupower公司研发的高功率铅空气备用电源装置(RPU)，运行大于等于50h，功率从600W到6000W，电压有DC24V和48V两种，其能量密度是铅酸电池的十多倍，重量只有铅酸电池的110，所占空间只有铅酸电池的17，有望取代铅酸蓄电池应用于UPS。9.4 UPS的冗余技术和在线维护 开关整流器的并联和热插拔已成为通信电源的基本运行方式，这种运行方式即所谓N1冗余供电方式，用于取代主备方式，使电源的可靠性大幅度提高。主备方式的备份电源的容量和主电源相同，因此使电源成本提高，而且在转换时还会造成电能中断。N1冗余供电方式不仅降低了电源成本，并且还保证了供电不中断。这种冗余供电方式的实质是通过并联平行操作的电源模块提供分布式电源，