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如何选择最适合您的UPS 2009-10-27 12:34:30 作者：Chris Loeffler 来源：UPS应用 访问:1819 评论：0 收藏此信息 推荐给朋友 举报此信息 作者：Chris Loeffler 伊顿分布式电源解决方案分部数据中心应用经理摘要以前，数据中心管理人员和设备管理人员可以从三种UPS拓扑结构中选择：后备式、在线交互式和双转换式它们在效率.作者：Chris Loeffler伊顿分布式电源解决方案分部数据中心应用经理摘要以前，数据中心管理人员和设备管理人员可以从三种UPS拓扑结构中选择：后备式、在线交互式和双转换式它们在效率、性能和保护水平上有很大的区别。最新一代双转换UPS具有独特的多模式能力，这种UPS在超高效模式下运行，除非电源条件使其有理由切换到较高保护等级，即双转换模式典型的保护等级。本白皮书介绍各种UPS拓扑的工作原理，研究工作模式对UPS性能的五个关键因素的影响：（1）将电压维持在允许的范围内（2）无需锁定IT设备就可在各种模式间转换（3）与发电机电力之间平滑过渡（4）可靠性和有效性（5）能效哪种不间断电源（UPS）设计适合您的数据中心呢？答案取决于一系列因素的组合，这些因素受行业趋势和技术发展影响，而且被广告的大肆宣传复杂化。从最基本的层面看，UPS执行两个基本和补充功能：调整输入电源，消除公共电网和其它主要电源上最常见的电压骤降和尖峰。通过动态地选择从公共电网、电池、备用发电机和其它可用电源上汲取电力，为电压骤降和短时断电（5分钟到1小时）提供过渡电源用于为数据中心的UPS提供这些功能，以满足行业标准和技术规范中对IT电源装置规定的要求。但是，它们提供的保护等级和提供保护的方式不尽相同。市场上出售的UPS一般有三种保护IT设备的拓扑结构：后备式UPS让设备一直用市电电源工作，直到UPS探测到问题时才切换到电池电源，以保护设备不受电压骤降、浪涌或断电的影响。在线交互式UPS在市电流入被保护的设备前，根据需要将输入市电电压升高或降低，或者使用电池电源。双转换UPS将设备从原市电电源上隔离开将电源从交流转换到直流，然后再转换为交流，以提供最清洁的电源和最高等级的保护。最新一代UPS中有一些机型具有多模式行动能力，通常称为“经济模式”或“高效模式”。UPS一般在高效模式下运行，除非电源条件使其有理由切换到保护等级更高的双转换模式。为特定用途（如工业或苛刻环境）也设计了其它拓扑结构，如铁磁谐振式和旋转式设计。本文讲述多数IT环境中使用的典型的静态UPS拓扑。哪种设计适合您的数据中心呢？制造商为这些拓扑设计产品的方式对总体电源性能、数据中心的可用性和总拥有成本有很大的影响。本文对根据使用要求选择最佳UPS内部设计时需考虑的一些重要问题提供一个客观的看法。不同UPS拓扑研究UPS拓扑可分为两个基本设计类型：双转换式和单转换式。双转换UPS系统将电源处理两次。输入整流器将交流处理成直流，然后送入输出逆变器中，逆变器再将直流处理成交流电源，送给T设备。在正常运行中，UPS通过整流器和逆变器组合不断地对电源进行双重处理。如果交流输入电源超出了预定的限定条件，整流器将切断，UPS从电池汲取电力。电池电源通过输出逆变器后输送到IT设备。UPS将一直用电池供电，直到交流输入回到正常的容限内（或电池电量用完，以最先发生的为准）。 图1：典型的双转换UPS的内部设计单转换UPS系统在正常运行中用输入交流市电电源为输出负载提供所需的交流电力。有些系统使用感应线圈或变压器调节输出电压。这些设计中也包括某些类型的电池充电电路，以确保电池充足电量。如果交流输入电源超出了预定的限定条件，UPS会接通其逆变器（在有些设计中，逆变器一直接通，但不加载）。逆变器从电池汲取电流，然后断开交流输入电源，防止从逆变器上将电力反馈到市电电网。UPS将一直用电池供电，直到交流输入回到正常的容限内（或电池电量用完，以最先发生的为准）。在线交互式和后备式系统是最常用的单转换设计中的两个，过去一般用在功率较低的应用场合。在线交互式系统的输入电压范围通常比后备式系统的宽，不使用电池就可通过电源接口将电压调整到可接受的限制范围内。后备式电源系统只简单地将输入交流电源送给所连接的设备，并在需要时切换到电池电源。有些后备式UPS设计也并入了变压器或其它装置，以提供有限的电源调整。 图2：单转换设备在线交互式UPS的内部设计 图3：单转换设备后备式UPS的内部设计新的多模式UPS结合了单转换和双转换技术的精华，具有每种技术的优点。每当UPS的高速线路探测电路检测到电力状况的任何变化时，系统将根据情况自动变换模式：正常状况：当电力状况在可接受的限制范围内时，多模式UPS以一种高效节能的系统运行将电压调整到安全的容限内并解决市电电源中出现的常见异常情况。电力不稳定或短暂扰动：如果交流输入电源超出了为在线交互模式预设的容限，系统将切换到双转换模式。UPS通过整流器和逆变器处理输入电源，使IT设备与输入交流电源完全隔离。停电或持续电力异常：如果交流输入电源超出双转换整流器的容限（或完全断电），UPS使用电池提供电能，使输出负载保持运行。当发电机上线提供备用交流电源时，UPS使用双转换模式，直到发电机充分稳定下来后，才安全地切换回高效模式。这种多模式新技术可提供即时条件下所需的精确的电源保护等级。除非需要，这种装置不在低效/高保护模式下运行。在IT运营中，能源成本代表了单项最大的构成部分，这种策略的能效收益是相当大的。即使小的数据中心每年也可在电费上节约数万美元。较大的数据中心随着时间的增加可节约数百万美元，而不影响数据中心的性能或可靠性。 图4：Eaton多模式高效UPS的内部设计UPS的设计和工作模式如何影响其性能？UPS的关键任务是在各种输入交流条件下（包括发电机运行），确保提供给IT设备的电源满足设备电源的具体要求。现在我们看看不同的设计是怎样满足以下主要标准的：将电压维持在允许的范围内无需锁定IT设备就可在各种模式间转换与发电机电力之间平滑过渡UPS拓扑对性能的影响：将电压维持在允许的范围内UPS输出电压必须在信息技术工业委员会（ITIC）为所有输入交流线路条件规定的ITIC电压容限曲线的可接受容限内。纵轴显示的是电源装置（PSU）的输入电压。横轴表示输入电压出问题的时间（可达10,000个交流电周期，约28分钟）。ITIC曲线（其实更像是阶梯而非曲线）显示IT设备用的一种典型电源装置（PSU）设计的可接受的输入电压包络。UPS必须确保输入到电源装置（PSU）的电压不在可接受的区间上方的禁止范围内，因为在此范围内的电压可损坏IT设备。低于阈值的电压可导致电源装置（PSU）关闭或出现异常行为。 图5：（右）ITIC（CBEMA）曲线显示IT设备的电源容限。 几乎所有的系统设计都提供一定程度的浪涌抑制，以防高频瞬变和大电压尖峰，例如由雷电引起的或由公共电厂的破坏引起的。多数小型后备式和在线交互式系统使用某些形式的瞬变箝位装置，如金属氧化物压敏电阻（MOV），它们可将多余的能源分流到地，或者在能量等级太高时自毁来吸收过电压或瞬时冲击。由于这种UPS多数都是小型的，设计用于布置在被保护的设备附近，只有最小数量的这种箝位装置。在正常模式运行的双转换UPS通过AC-DC-AV转换过程处理电力，从而阻止有破坏性的输入条件通过UPS进入到所连接的负载设备。（但是，如果UPS在旁路模式，如在系统维护或系统故障过程中，有破坏性的输入脉冲将通过UPS旁路进入负载。）多模式双转换UPS容易被部署在距市电输入源较近处，因此常常设计有额外的浪涌保护。这些设计可包括连接多个并联的金属氧化物压敏电阻（MOV），得到三个独立的保护通路：火线与火线之间、火线与地线之间、零线与地线之间。UPS还可以有气体放电管、浪涌线圈或其它包含电感器和电容器一类器件的滤波电路，用于在破坏性脉冲到达关键负载前将其消除。此外，这类UPS在输入电源条件使其有理由转到双转换模式时会自动从高效模式转换过来，从而将输入瞬变与负载隔离开来。多数设计也可保证：即使在旁路模式，保护所连接的负载设备不受瞬变问题影响。总是以这样或那样的方式保护IT设备不受大浪涌和冲击影响。不论采用哪种UPS设计，仍建议在市电入口处采取浪涌保护措施，以保护UPS输入监控电路，并在向UPS旁路供电的电路上提供浪涌保护。不同的UPS设计处理不太极端的电压条件（如欠压或过压条件）的方式也不同：只要输入电压在预定的UPS容限内，后备式UPS就可为IT设备供给满足此要求的可接受的电力。但是，正常运行的电压范围一般较窄（ITIC曲线的10%），因此，UPS必须频繁地求助于电池，这样会减少电池的运行时间和使用寿命。有些后备式系统允许较宽的输入电压范围，这有助于保存电池电量，但可导致所连接的IT设备锁定或出现时有时无的运行问题。只要输入电压在预置的UPS容限内，在线交互式UPS就可供应在ITIC要求范围内的电力。但是，在线交互式系统可使用抽头变换式变压器或降压/升压电路提供一些电压调节。这意味着它不需要像后备式系统那样频繁地求助于电池，虽然它也使用一些电池电能去支持正常模式与电压调节模式之间的过渡。电池电能用量比后备式UPS的低，但仍比双转换拓扑的高。双转换UPS在所有输入电源条件下都提供经调整的输出电压，电压波动在标称值的1%到3%内。当输入电压在预置的UPS容限内时，不需要使用电池就可对输出进行调整。同样地，双转换UPS与后备式或在线交互式设计相比，使用电池的次数都少，时间都短。这就等于得到更长的电池运行时间和使用寿命。目前许多双转换UPS是智能型的，如果UPS没有100%加载，输入接受范围就会更宽。当输入电压在预置的UPS容限内时，多模式高效双转换UPS就可供应在ITIC要求范围内的电力。当输入交流电压超出此范围内，UPS自动使用双转换模式，使输入调整到ITIC要求的范围内。结果，电池使用时长和频度与双转换UPS相似，在有些情况下甚至更低。有些较大的系统设计可能允许调节输出电压的区间，因此系统也可支持输入电压范围更受限制的非IT电源，同时仍得到较高的运行效率的好处。如下图所示，所有UPS设计满足ITIC规定的IT设备的输入电压要求。主要区别在于UPS实现此结果的方式，这对电池使用频度和时长有很大的影响。后备式UPS对电池的需求量最高，双转换拓扑最低。 图6：与ITIC曲线相差的各种UPS设计的性能UPS拓扑对性能的影响：无需锁定IT设备就可在各种模式间转换按照行业标准，IT设备内的电源装置设计可存储足够的能量，在电力中断时让设备继续运行约20毫秒。这称为“保持”时间。这意味着设备可忍受UPS在各个运行模式之间转换时出现的短暂的断电，如从正常运行模式到电池模式，再返回正常模式。但是，转换实际上应比20毫秒快得多，因为电源装置在没电的情况下运行的时间越长，当它再接受到电力时汲取的突入电流越大。突入电流可超过UPS的电流处理能力，从而导致其关闭。后备式UPS在512毫秒（典型值为8毫秒）内切换到电池模式。后备式系统一般使用一个快速动作机械式继电器进行电力切换，它可延长切换到电池前的时间。大多数电源可以容忍此中断。但是，当转换时间大于5毫秒时，突入电流会超过UPS逆变器的处理能力，引起IT设备复位，从而导致数据出错或关机。如果后备式系统允许输出电压下降标称值的10%以上（比如在120V系统上降到108V以下），电源装置（PSU）很可能处在汲取比正常值大的电流的状态。因为这个原因，失去输出的时间的延长增大了电源装置（PSU）关闭的机率。为很关键的服务器配用后备式系统时要考虑的一个问题是电池供电时输出电压的波形问题。许多后备式系统产生方波或修正正弦波输出，目前的功率因数校正电源可能无法处理这种波形。如果是这种情况，电源几乎常常是一出现电池运行就关闭。在线交互式UPS以3-8毫秒（典型值为5毫秒）的典型转换时间切换到电池模式，在大多数电源的可接受的限制范围内。如果转换时间大于5毫秒，有些电源装置（PSU）会呈现出超过400%的突入电流，UPS逆变器无法支持这么高的电流要求。双转换UPS从输出电力零中断处（转换时）开始从电池汲取电流，因此转换不会引起突入电流。先进、高效、多模式、双转换UPS一般在1-3毫秒内切换到电池模式，完全处在典型的电源装置（PSU）的突入曲线的最低部分以内。随后的突入电流小于正常峰值电流的200%，电池和逆变器可以容易地对付这种大小的短时突入电流。伊顿多模式系统的工作原理与宣传“高效运行模式”或“经济模式”选项的典型的双转换UPS大不相同，主要体现在两个方面。经过修改的双转换UPS一般：在高效模式时以后备模式运行（而非在线交互式），因此提供的保护较少。由于UPS设计中的变压器或检测电路检测到电源问题的延时，转换到双转换模式需要5到12毫秒。那样的转换时间可导致IT设备数据出错或关机。在后备模式，UPS在失去交流输入时可能无法立即同步逆变器，从而会延迟向电池电源的转换。如果逆变器和整流器与输入交流电力隔离开，就不能确保对关键负载进行正常的瞬变保护，会引起其它的问题。有效的多模式系统必须始终跟踪交流输入，并将逆变器与其同步。这样，当失去交流输入时，逆变器会以输出电力的极小中断立即接过负载。此外，整流器和逆变器应始终在线，时刻准备预防瞬变，并在交流电源中断时提供极其快速的响应。 图7：断电时间越长，电源装置突入电流越大，但有些电源装置设计对这种现象的控制比其它设计要好一些。UPS拓扑对性能的影响：与发电机电力之间平滑过渡在较长时间的市电停电中，UPS怎样处理向备用发电机的转换？此过渡可能不是平滑的，因为发电机在起动和预热期间电压和频率可能不稳定。当发电机及其负载从初始起动过渡到正常运行的过程中，UPS必须能够处理发电机输出畸变。如果UPS不调整这种情况，不稳定的电力可导致所连接的IT设备数据出错或关机。UPS应当尽可能地减少向电池运行模式来回转换的次数，从而降低输出电力中断的可能性和电池的压力。后备和在线交互式UPS必须在将负载切换到发电机前先度量电源，然后再使逆变器与此电源同步。即使发电机的频率或电压有轻微的偏差，这类设计也可能切换回电池运行状态。双转换和多模式高效双转换UPS可确保当发电机预热时，即使输出电压或频率不稳定（或由于其它负载使发电机循环开关），UPS仍继续靠整流器运行，而不是切换到电池运行状态。由于使用输入整流器将交流处理成直流，这类UPS使用电池供电的时间最短。 图8：不同的UPS设计怎样处理发电机起动后备和在线交互式UPS在此过程中会频繁地求助于电池。UPS设计如何影响其可靠性？UPS配置的可用性取决于几种因素，现举例说明：多电力通路后备式UPS一般有两个电力通路，但由一个电力开关控制。那就意味着电力开关故障会导致IT设备失去电源。在线交互式UPS有两个电力通路，但没有那样的共用电源接口。如果电源接口出了故障，此种UPS仍能在电池模式运行，运行时间足够转换到发动机电源或有序地关闭所连接的设备。双转换和多模式高效双转换UPS一般有两个电力通路（来自市电/发电机和电池电源）和一个电子式系统旁路，此旁路用于绕过出故障的器件，或将使用与机械式旁路系统同步，以进行有计划的维护。先进的多模式系统甚至提供自动维护旁路系统，以确保在UPS维修期间进行不间断的转换。并机冗余可通过部署多台UPS系统一起工作来提高可靠性和可用性。在并联配置中，多台UPS为一个共有的输出母线供电，母线再向IT设备供应电力。如果任何一台UPS出了故障，其它UPS会接过负载。由于制造可并机的系统会增加成本，此功能仅用在可用性很重要的较高端的UPS上，意即双转换和多模式双转换UPS。平均修复时间（MTTR）短平均故障间隔时间（MTBF）是一个不太实用且偏重理论的数值，基于从器件额定值和实验室测试进行统计推断。实际上了解装置的MTTR更为重要。当UPS确实需要维修时，MTTR很低的产品很快就可再投入使用，这比MTBF对总体可用性有更深刻的影响。模块式系统设计和使用易于维修的器件的系统设计的MTTR更短，如热更换电池和电子模式。模块式系统制造成本较高，因此模块化一般保留给在线交互式、双转换式和多模式双转换UPS。有些后备式UPS也具有很有限的模块化（它们可以接受更换电池），但总的来说，后备式系统用在较小的非关键应用中，不用太多花费就可以很容易地换掉整个装置。电池完好状态UPS设计决定在任何给定电网条件下电池的使用频度，使用频度又影响电池的运行时间和使用寿命。在双转换和多模式高效双转换设计中，电池耗量最低。此外，有些制造商使用多级充电技术，这种技术提供电池休眠时间，与传统涓流或浮充方法相比，可大大地延长电池寿命。这种先进的电池技术一般存在于在线交互式、双转换式和多模式双转换式UPS中。UPS拓扑如何影响能效？UPS效率越高，运营数据中心所花的电费就越少。由于损失的电能大多数是以热能消散掉的，UPS效率越高，带走这些热量所需的空调花费和其它冷却费用也越少。当数据中心基础设施的总体效率（DCiE）较高时，冷却费用可能只等于驱动IT设备所需能量费用的50%。当能效差时，冷却数据中心所需的成本几乎和运行设备所需的一样多，多项行业研究表明，高达驱动IT设备的成本的80%到100%。因此，数据中心管理人员密切注意其电源保护系统的效率就不足为奇了。所幸的是，在过去的三十多年间，技术的发展已经戏剧性地提高了UPS的效率。在20世纪80年代，大多数UPS的效率最高为75%到80%。支付1美元的电费只能得到价值75到80美分的可用电能。能量以热量的形式消耗掉，这又意味着更高的冷却成本。到20世纪90年代，UPS的效率已经提高到了85%到90%。21世纪我们看到效率提高到了94%。由于能源成本节节攀升的压力越来越大，目前，作为优化的IT设备电源的UPS的效率提高到了97%或更高。最新一代UPS用多项节能技术改变了这个游戏，在不影响可靠性的情况下将效率提高到了99%。 图9：过去三十多年间技术发展稳步提高了UPS的效率。效率受UPS设计或运行模式的影响很大。单转换（后备式和在线交互式）UPS比双转换UPS能效更高，因为少了电力从交流到直流再到交流的转换。新的多模式高效双转换UPS能实现很高的效率，是因为它们只在必要时才使用效率较低的双转换模式，其它时间都以节能的系统运行。效率也受UPS规格影响。较大的UPS模块一般比较小的模块能效高，因为支持控制电子器件和辅助器件所需的电能在UPS系统总负载量中所占的比例更小。例如：一台给定设计的500kW的UPS模块一般比同一设计的5kW的UPS模块的效率高。新式无变压器UPS设计的相关能效（%） 不要只看销售商给出的效率参数。评价一台UPS时，只知道它在满负荷下给出的峰值效率（也就是通常给出的效率数值）是不够的。您不太可能在满负荷下运行UPS。由于许多IT设备使用双电源实现冗余，一般数据中心使UPS在50%以下的负荷下工作，有时甚至低到20%到40%。您可能预计到了UPS在部分负荷下运行时效率会低一些，但会低到什么程度呢？上一代UPS（1990年以前购买的）在低负荷下效率显著降低。甚至大多数当今的UPS在常见的低负荷下效率也会明显下降。新的具有高级电源管理功能的多模式拓扑正在改变这个趋势。在20%负荷以上，都可期望得到95%以上的高效率。 图10：UPS在轻负载下效率变低。新的多模式