ups不间断电源资料大全 (4)

ups 不间断电源资料大全 UPS 不间断电源放电时间的配置技巧停电后 UPS 是依靠电池储能供电给负载的 标准性 UPS 本身机内自带电池 在停电后一般可继续供电几分钟至几十分钟 而长效型 UPS 配有 外置电池组 可以满足用户长时间停电时继续供电的需要 一般长效型 UPS 满载配置时间 可达数小时以上 一般长效型 UPS 备用时间主要受电池成本 安装空间大小以及电池回 充时间等因素的限制 一般在电力环境较差 停电较为频繁的地区采用 UPS 与发电机配合 供电的方式 见原理图 当停电时 UPS 先由电池供电一段时间 如停电时间较长 可以启动备 用发电机对 UPS 继续供电 当市电恢复时再切换到市电供电 电池供电时间计算 电池供电时间主要受负载大小 电池容量 环境温度 电池放电截止 电压等因素影响 一般计算 UPS 电池供电时间 可以计算出电池放电电流 然后根据电池放 电曲线查出其放电时间 电池放电电流可以按以下经验公式计算 放电电流 UPS 容量 VA 功率因数 电池放电平均电压 效率 如要计算实际负载放电时间 只需将 UPS 容量换为实 际负载容量即可 目前我国引进的 UPS 品种不少 不同的产品来源于不同的国家和厂家 这些 UPS 的工作 原理 具体线路设计都不尽相同 特别是有的厂家为了商业上的需要 常常将有关集成电 路型号的标志抹掉 所有这些因素都给使用和维护 UPS 带来一定的困难 尽管如此 对于 一些常用的 UPS 使用规则仍可找到一些共性 下面对正确使用和维护 UPS 提出若干线索 供大家参考 1 在后备式 UPS 设计中 为降低生产成本 它在市电供电和蓄电池供电时都使用同一主电 源变压器 这种类型的 UPS 处于蓄电池供电时 它的交流输出火线和零线的位置是固定不 变的 用户无法改变其相互 顷序 又由于这种 UPS 的市电输入端的零线就是 UPS 控制 线路的地线 所以用户在使用这种 UPS 时 务必遵守厂家产品说明书上的有关规定 2 所有 UPS 中的蓄电池实际可供使用的容量与蓄电池的放电电流大小 蓄电池的环境工作 温度 贮存时间的长短及负载性质 电阻性 电感性 电容性 密切相关 如果不能正确地 使用 UPS 往往会造成蓄电池实际可供使用的容量仅为蓄电池标称容量的很小一部分 为 此用户在使用蓄电池时需注意以下各点 蓄电池的过度放电和蓄电池长时间的开路闲置不用 都会使蓄电池的内部产生大量的硫 酸铅 并被吸附到蓄电池的阴极上 形成所谓的阴极 硫酸盐化 其结果是造成电池内阻 增大 蓄电池的可充放电性能变坏 目前常用的 M 型密封式铅酸蓄电池的使用寿命大约为 3 5 年 对于目前的大多数 UPS 来说 当蓄电池每次放电完后 可利用 UPS 内部的电池充电回 路对蓄电池进行浮充 为保证蓄电池被重新置于饱和充电状态 一般需要充电时间为 10 12 小时 充电时间不够会使蓄电池处于充电不充分状态 这时蓄电池的实际可供使用 的容量远远低于蓄电池的标称容量 对于有的 UPS 而言 当市电电压低于 200V 时 就不 可能利用 UPS 内部的充电回路对蓄电池进行饱和充电丁 有的用户采用降低 UPS 实际负载功率或增大蓄电池容量的办法来延长蓄电池的放电时间 当 UPS 的蓄电池在使用中遇到下述情况之一时 要想复活蓄电池的可充放电特性 应采 用均衡充电的办法来解决 所谓均衡充电是把每个蓄电池单元并联起来 用统一的充电电 压进行充电的操作办法 需要对蓄电池进行均衡充电的情况有 过量放电使得蓄电池的 端电压低于蓄电池所允许的放电终了电压 对于 12V 的 M 型铅酸蓄电池而言 其放电终 了电压为 10 5V 左右 蓄电池组中 各电池单元之间的端电压差别超过 1V 左右 长 期静置不用的电池 包括新购买的蓄电池 重新更换了电解液的蓄电池 对于 NP6 12 型密封式铅酸电池 它的均衡充电电压等于 14V 左右 最大允许的均衡充电电流小于 1 5A 对于 LCLl2V24P 型密封式铅酸电池 其均衡充电电压等于 14V 左右 最大允许的 均衡充电电流小于 8A 目前市售的功率为 2kW 以下的 UPS 中 蓄电池组的浮充电流大 多数控制在 1A 之内 为保证蓄电池具有良好的充放电特性 对于长期闲置不用的 UPS 经验数据是 UPS 停机 10 天以上 在重新开机使用之前 最好先不要加负载 让 UPS 利用机内的充电回路对蓄电池浮充 10 12 小时以后再用 对于后备式 UPS 的用户来说 若 UPS 长期工作在后备式工作状态时 建议每隔一个月 让 UPS 处于逆变器工作状态至 少 2 3 分钟 以便激活电池 3 对于绝大多数 UPS 来说 当它们处于逆变器供电状态时 一般要求它的负载特性为纯电 阻或电容性的 当负载为电容性时 其功率因数要求大于 0 8 左右 因此 对于那些带电 感性负载的用户来说 应注意调整其总的负载电抗 尽可能地满足功率因数大于 0 9 的条 件 否则 UPS 实际可承担的负载功率将有所下降 厂家建议 UPS 的最大启动负载最好 控制在 UPS 额定输出功率的 80 以内 对于正弦波输出的 UPS 而言 当其负载小于 UPS 额定输出功率的 30 时 它的输出电压波形失真系数会稍有增大 实践证明 对于绝大多 数 UPS 而言 将其负载控制在 UPS 额定输出功率的 30 60 范围以内是最佳工作方式 因此 那些对交流输入波形有所要求的用户应该注意这点 4 对于后备式 UPS 来说 当它处于由市电供电的后备工作状态时 虽然它具有抗干扰自动 稳压功能 但它不具备输出短路自动保护功能 一般用交流输入保险丝来实现限流 因此 对这种类型 UPS 用户来说 不得随意加大交流输入回路中保险丝的容量 只有当这种电源 处于逆变器供电状态时 它才同时具有自动稳压和输出短路自动保护功能 5 对于后备式方波输出的 UPS 来说 由于在它的控制线路中没有精确调整其方波工作频率 的技术手段 因此 当这种电源处于逆变器供电状态时 有时它的方波工作频率很可能会 明显偏离 50Hz 此外 对于方波输出的 UPS 而言 当它处于逆变器供电时 不宜长期空 载运行 6 对于后备式 UPS 来说 一般都为用户设置如下电位器来调整工作点 调整 UPS 市电 供电 逆变器供电工作转换电压的大小 调整 UPS 逆变器输出交流电压的大小 调整 电池充电回路的充电电压的大小 对在线式 UPS 来说 一般只为用户提供一个调整 UPS 交流输出电压大小的电位器 具体应该调整哪个电位器 请参考有关的产品说明书 一般 情况下 用户不要轻易地去调整机内的其他电位器 弄不好会造成 UPS 控制线路失调 机 器无法正常工作 7 目前市售的绝大多数 UPS 都具有抗干扰自动稳压功能 所以 在一般情况下 没有必要 再外加抗干扰型交流稳压器 如果用户一定要用交流稳压器的话 可以将交流稳压器用作 UPS 的输入级 8 选购长延时 UPS 时 为保证蓄电池能得到高效的利用 提高其有效可供使用的容量及延 长蓄电池的使用寿命 应选用具有改进型的恒流充电特性的充电器 如果使用一般的截止 型恒压充电器必将导致蓄电池性能的迅速恶化 对长延时 UPS 而言 蓄电池组的成本往往 超过 UPS 主机的成本 所以用户应该注意到这一点 9 若用户在市电停电期间 使用小型柴油发电机供电时 由于柴油发电机的内阻比市电电 网的内阻大得多 因此 有可能导致后备式 UPS 在市电供电与柴油机供电时 UPS 的交流 稳压线路的输出电压值有较大的差异 在遇到这种情况时 用户应重新调整 UPS 的交流稳 压工作点 10 对于方波输出的后备式 UPS 来说 其市电供电 逆变器供电的转换时间大约在 4 9ms 这种不能百分之百地保证对负载可靠供电的情况 对于这种电源来说 若偶然出 现一次故障使计算机的工作程序中断或破坏 即计算机产生 自检 操作并不意味着出故 障 因此 方波输出的 UPS 不宜用于计算机网络的供电系统中 11 在长延时 UPS 中若选用方波输出 UPS 作主机会带来计算机硬件故障率增大的毛病 原 则上讲 在长延时 UPS 系统中应选用正弦波输出的 UPS 作主机 12 对以双向可控硅作静态开关的后备式 UPS 如 Datapasse UPS 其市电供电 逆变器供 电的转换时间很短 仅为微秒数量级 1 1 3 电压型三相桥式整流电路 电压型三相桥式整流电路如图 2 所示 其特点是采用高频 PWM 整流技术 器件处于高频 开关状态 由于器件的开通和关断状态可以控制 所以整流器的电流波形是可控制的 这 种电路的优点是可以得到与输入电压同相位的输入电流 也就是输入功率因数为 1 输入 电流的谐波含量可以接近为零 能量可以双向流动 正常时能量从交流侧向直流侧流动 直流输出电压高于给定值时 能量从直流侧向交流侧流动 具有较高的转换效率 缺点是 属于 Boost 型整流电路 直流侧电压要求较高 这种电路也是近年来研究的一个热点 1 2 蓄电池组和充放电电路 蓄电池组是 UPS 的储能单元 市电正常时它吸收来自市电的能量并以化学能的形式储存起 来 一旦市电中断 它把储存的化学能转换为电能向逆变器供电 维持负载供电的连续性 在中小功率的 UPS 系统中 电池组的电压通常比较低 因此 通常使用能量能够双向流动 的充放电电路 4 大功率系统中为了提高效率 简化电路通常直接把电池组并接在直流母 线上 1 3 逆变电路 逆变器是 UPS 的核心 它把直流电能转换成用户所需的稳压稳频的交流电能 下面仍以三 相逆变器为对象分析近年来逆变器的研究热点 1 3 1 三相半桥式逆变电路 在三相逆变电路中以三相半桥桥式电路应用最为普遍 这种电路的特点是采用全控型器件 组成逆变器 存在着功率密度高 性能好 小型轻量化等优点 这种电路便于使用新的控 制策略以提高逆变器的质量 但是 要实现带 100 的独立负载是比较困难的 1 3 2 H 桥逆变器 对于超大容量的逆变器 由于功率等级的大幅度提高 对逆变器的结构提出了新的要求 H 桥臂逆变器便是选择之一 这种逆变器输出变压器采用多绕组接法 输出变压器的原边 采用 3 个独立的绕组 逆变器输出采用 3 个独立的 H 桥 这样控制方便 但是成本较高 1 3 3 三相四桥臂变换技术 由于三相电路中 三桥臂逆变器本身存在着固有的缺陷 人们开始寻求新的电路结构 于 是出现了三相四桥臂逆变器 如图 3 所示 这种电路结构输出为三相四线制 三相电压可 以独立控制 控制方法灵活 但是这种拓扑的算法比较复杂 PWM 矢量在三维空间中旋 转 必须采用数字控制方法才能实现空间 PWM 波形的生成 这种电路成为了近年来研究 的热点之 随着计算机的日益普及 计算机的保护神 UPS 也得到了广泛的应用 UPS 是使用简单但自 身又比较娇气的设备 科学的使用和维护将会延长 UPS 的寿命 下面是我的一些经验 供 你参考 1 尽量不接电感性负载 因为电感性负载的启动电流往往会超过额定电流的 3 4 倍 这 样就会引起 UPS 的瞬时超载 影响 UPS 的寿命 电感性负载包括夏天常用的电风扇 冰 箱 等 2 不宜满载或过度轻载 不要按照 UPS 的额定功率去使用它 不要认为空着的接口 不应该闲着而连接其他电器 长期满载状态将直接影响 UPS 寿命 一般情况下 在线式 UPS 的负载量应该控制在 70 80 而后备式的 UPS 的负载量应该控制在 60 70 注意 过度轻载也不好 虽然不如过载那么严重 3 保护好蓄电池 UPS 的一个非常重要的组成部分就是蓄电池 目前 多数中小型 的 UPS 都采用无需维护的密封式铅酸蓄电池 虽然表面上它不需要维护 但照顾不周 同 样会出毛病 何况这种电池还挺贵 来自 UPS 维修部门的数据表明 约 30 的 UPS 损坏 实际上只是电池坏了 所以 维护 UPS 的关键是维护蓄电池 相比较而言 蓄电池是比较 娇贵的 要求在 0 30 环境中工作 25 时效率最高 因此 在冬 夏季一定要注意 UPS 的工作环境 温度高了会缩短电池寿命 温度低了 将达不到标称的延时 4 定期维护 通常 半年应该给 UPS 测量一下电池的端电压 如果电压超过 1V 就 应该使用均衡的恒压限流 0 5A 充电 若不奏效 只能换新电池 如果当地长期不停电 必须定期 三个月 人为中断供电 使 UPS 带负载放电 因为长期没断过电 所以你一直以 为它是在正常工作的 而实际上一旦断电 它只能提供很短的延时甚至根本没有延时 原 因就是蓄电池长期处于浮充的充电状态 5 注意防雷击 雷击是所有电器的天敌 一定要注意保证 UPS 的有效屏蔽和接地保 护 另外 还应把 UPS 放在通风散热良好的地方 现代大型的数据中心和复杂的计算机监控和安全保护系统 其交流 220V 电源要求稳定可 靠 分秒不停 应运而生的不间断电源 简称 UPS 满足了这种 苛刻 负载严格的需求 消除了电网电压瞬变波动对重要负载的影响 UPS 电源对数据中心的安全稳定运行至关重要 UPS 停电意味着系统瘫痪 如何提高 UPS 的可靠性 是保证数据中心安全稳定运行的重要基础 UPS 系统是一个多路电源输入 的低压多端网络 网络的核心设备逆变器和静态开关等 是一套电子元件自动控制的电力 装置 因 UPS 供电系统中的各个环节的工作可靠性是系统可靠性的基础 而在满足系统可 靠性的前提下 如何使配置的系统具有高的性能价格比是 UPS 供电系统规划设计和应用中 的技术和经济问题 为此本文对大中型 UPS 的构成和工作原理及应用中的问题分别作以阐 述和分析 2 大中型 UPS 工作原理 2 1 大中型 UPS 整流电路 大中型 UPS 中广泛应用三相桥式全控整流电路 当控制角 0 时 其工作过程与三 相桥式不控整流电路相同 在自然换相点换相 当控制角 0 时 每个晶闸管都从自然换 相点向后移 角开始换相 不管 为何值 电压 Ud 都是线电压的一部分 所以 从线 电压入手计算 Ud 更简单 由于 Ud 波形每隔 60 重复一次 Ud 的计算只要在 3 范围内 取平均值即可 在三相星形接法的电路中 线电压较其相应的相电压超前 30 现将线电 压 Uab 的零点作为新坐标的原点 即比原来以相电压 Ua 零点的坐标提前 30 因此在新 坐标上 自然换相点的位置在 t 3 处 2 1 1 电阻性负载 当 0 3 时 Ud 2 34U2cos 1 35U2Lcos 式中 Ud 整流电压 U2 变压器 T 次级相电压 U2L 次级线电压 当 3 2 3 时 整流只能在正半周进行 当 2 3 时 Ud 0 从公式亦可看 出电阻负载的最大移相范围是 120 2 1 2 电感性负载 对于电感性负载 由于电流是连续的 晶闸管的导通角总是 2 3 上式的积 分上限可以超过 仍为 2 3 Ud 2 34U2cos 1 35U2Lcos 可见电感性负载时的最大移相范围为 90 2 2 大中型 UPS 充电电路 大容量 UPS 的充电电路 一般采用晶闸管作为整流元件 这是因为大容量 UPS 充电器的 输出电压一般高达几百伏 充电电流为几十安培 在大功率 UPS 中一般都将充电器和整流 器合二为一 虽然这使得其控制电路较为复杂 但由于大功率 UPS 本身造价较高 控制电 路设计得稍微复杂一些并不会明显增加成本 充电器分为 3 个主要部分 即三相桥式全控 整流器 由 V1 V6 和滤波电感 L1 L2 组成 采样电路 其功能是对三相桥输出的充电 电压和电流进行采样 然后将采样的结果送到控制电路 控制电路 其功能是根据采样电 路送来的电压和电流信号去控制三相桥式全控整流器 以调整其输出电压和充电电流 大功率 UPS 的充电分为 3 个阶段 初期由于电池放电后损失较大 急需补充 故需充 电电流较大 如不限流就会严重影响蓄电池的使用寿命 故这一阶段为恒流充电 当电压 到达设计值 一般为浮充电压 每个电池单元为 2 25V 时就转为恒压充电 蓄电池经过一 段时间的恒压充电 当其端电压上升到某一值时就转为浮充充电 充电初期的充电电流 IBmax 对于铅酸蓄电池为 0 1C 对镍镉蓄电池为 0 2C 中容量 UPS 充电电路采用开关型降压斩波器 可自动实现恒流恒压充电 该充电器由 于采用了微处理器监控 它除了具有一般充电器所要求的恒流恒压充电功能外 还具有以 下功能 根据放电电流自动修正放电终止电压 根据环境温度自动修正浮充电压 2 3 大中型 UPS 逆变器 UPS 的核心器件是逆变器 UPS 的发展史其实就是采用不同逆变器器件的发展史 早 期 UPS 采用的是可控硅 这种 UPS 效率低 噪声大 体积庞大 第二代 UPS 采用了双极晶体 管 其开关速度可以做到音频以上 这样降低了噪声 减小了体积 但由于双极晶体管容易造 成二次击穿 于是采用 MOSFET 的第三代 UPS 产生了 但它的弱点是不易把 UPS 容量做得 很大 1982 年 日本三菱公司成功地研制出具有场效应的高频特性 栅板电压可控 驱动电流 小 并具有双极晶体管的大电流处理能力等诸多特点的新型功率器件 即隔离栅型双极性晶体 管 IGBT 山特公司是首家将 IGBT 技术应用于 UPS 领域的厂商 为此 UPS 发生了一次巨 大的变革 在提高逆变效率 改善 UPS 的各种输出特性的同时 也为大中型 UPS 的实现高频 化 智能化控制变成了可能 大中型 UPS 逆变器控制电路 除采用三相正弦脉宽调制技术外 波形叠加技术也得到 了广泛应用 波形叠加技术有叠加式阶梯波 离散型阶梯波 脉宽阶梯混合波等多种 脉 宽阶梯混合波逆变器是结合阶梯波的高效率和脉宽调制的低价格而采取的一种折衷方案 由于混合式的逆变频率较低 因而噪声较大 它的体积略大于脉宽调制式而小于阶梯式 多用于中大容量的 UPS 3 大中型 UPS 的静态转换开关 大 中型 UPS 静态开关一般使用电子式静态转换开关 所谓电子式静态转换开关 是 将一对反向并联的快速晶闸管连接起来作为 UPS 在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换 操作时的元件 由于快速晶闸管的接通时间为微秒级 因此 依靠这种先进技术 可以对 负载实现转换时间为零的不间断供电 只有当 UPS 需要执行由交流旁路电源供电至逆变器 供电切换操作时 才会出现短暂的 约几毫秒 几十毫秒 两路交流电源在时间上重叠向 负载供电的情况 为保证逆变器及静态开关的安全运行 UPS 的控制系统必须满足下述的 基本工作条件 UPS 逆变器所产生的 50Hz 正弦波电源应随时保持与市电 50Hz 交流旁路电源的同频率 同相位 同幅度和较小正弦波失真度的关系 因为只有在这样的条件下才有可能使 UPS 在 执行由逆变器供电至市电交流旁路供电切换操作时 实现上述两种交流电源间不存在任何 瞬态电压差或是在瞬态电压差足够小的条件下执行安全切换操作要求 为此必须在 UPS 的 系统控制中引入 锁相同步 UPS 的控制电路应具有分别执行同步切换和非同步切换的能力 以确保 UPS 能在具有 不同供电质量的交流旁路电源系统中正常运行 3 1 同步切换方式 当 UPS 的逆变器输出电压与市电交流旁路电源电压处于锁相同步工作状态时 在需要 执行从交流旁路供电至逆变器供电切换操作前 用户可通过仔细调节 UPS 逆变器的输出电 压 使它的输出电压值等于交流旁路电源电压或者使逆变器的输出电压稍高于交流旁路电源 电压 一般控制在 5V 10V 左右 对于如图 1 所示的控制系统而言 主控板首先向逆变器的输出接触器发出闭合操作命 令 在此阶段将会出现由交流旁路电源和逆变器同时向负载供电的状况 以确保对负载的 不间断供电 在执行上述同步切换操作时 很难满足这两种交流电源间的瞬态电压差一直 为零 因此 总会有一个或大或小的环流在这两种电源之间流动 该环流的大小可通过专 门的电流检测电路来进行实时监控 控制电路是在电流过零点上将处于交流旁路通道上的 静态开关中的晶闸管关断 然后 UPS 才进入由逆变器供电的正常工作状态 采用这种 先合后断 的切换控制方式 可以确保上述两种交流电源产生重叠向负载供电的最长时 间 被控制在 50Hz 的半个周波之内 即小于 10ms 当 UPS 在运行过程中 如果遇到输 出过载 短路 逆变器故障或用户人为地关闭逆变器情况之一时 由控制电路在向逆变器 本身及位于逆变器供电通道上的输出接触器发出 关断 命令信号的同时 也向位于交流 旁路通道上的静态开关发出 闭合 命令 此时 由于输出接触器的关断响应时间较慢 大约为 80ms 100ms 而静态开关中的快速晶闸管开通时间很短 几微秒至十几微秒 的缘故 当静态开关闭合时 接触器尚未真正释放 所以此时向负载提供能量的电源有逆 变器输出滤波电容上的残余电压 因为此时的逆变器已处于自动关机状态之中 及市电交 流旁路电源 这段时间大约要持续 20ms 左右 此后 负载则完全由市电交流旁路电源供 电了 1 一体化机房供电系统的新理念 1 1 电力不足与电力灾难 2003 年 8 月 14 日下午美国东北部 中西部和加拿大南部发生大面积停电 这次持续 29 个小时的大面积停电 不仅给 5000 万美国人和加拿大人的生活带来极大不便 而且造 成 300 亿美元以上的直接和间接经济损失 我国也面临着电力供不应求的尖锐矛盾与事故频频发生的严峻形势 今年 6 月我国电 力部门已宣布 今年将发生严重的 电荒 决定对 24 个省市自治区采取拉闸限电的措施 来保证基本的电力供应 我们应从北美发生大停电的教训中得到警示 意识到自身电网存 在的问题和隐患 随着中国信息化建设的成熟 信息系统已经涵盖了各种系统 其中包括航空 气象 金融 通讯以及交通等重点行业 这些系统无疑是国家的关键基础设施 而电力系统则是 维持这些基础设施不间断运行的必要保证 显然 用户不可能左右整个电网的可靠性 但可以积极地做好自身小环境的电力保护 因此 用户自我保护是当前解决企业电力问题的现实之举 而 UPS 能够有效地解决停电事 故和电力质量不稳定的问题 在美国 日本以及西欧等国家 UPS 已得到广泛应用 现在用户已经认识到 UPS 和备用发电机 油机 的重要性 我国用户多采用长延时 UPS 而国外用户多采用 UPS 油机 的方式 事实上 UPS 的电池与油机的初始成本 相差不多 但油机后期维护成本更低一些 而 UPS 的电池则需要定期充放电 每隔几年需 要更换 并且供电维持时间很难超过 8h 而出现电力事故时 UPS 的任务主要是承担从电 力中断到柴油发电机起动的这段时间内的供电 保证电力供应不出现中断 而此后的供电 应当交给发电机 双路供电也是企业实现小环境电力保护的一种有效方式 但双路供电必须有来自不同 配电站的电源供给 并且 机房的 UPS 还要有冗余的备份设备 对企业小环境电源保护系统的配置 用户应考虑关键设备的主次之分 首先应保护最 重要的关键设备 然后是相对次要的负载 并根据设备的重要程度选择适当的电力保护措 施 避免不必要的投资 造成浪费 1 2 不间断供电系统 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 计算机及其它 IT 设备等 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 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国家或 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 当前 从全球经济模式及商务运作形式一直到人们的日常生活方式都在发生着巨大的 变化 其中最明显的莫过于 Internet 互联网 和 E Business 电子商务 的迅猛发展 全球网 络 全球通讯 信息实时处理以及一年 365 天 8760h 的贸易 将逐渐变成日常生活中不 可或缺的组成部分 在计算机网络系统中 所有的硬件加在一起的费用也只是全部网络费 用的一小部分 约 20 而大部分费用用在检查错误 服务器的重新启动 维护和更新以 及数据重建等上面 从某种意义上讲 保护用户的数据比保护用户的网络设备更为重要 一个大型企业 深知自己成功与否取决于计算机 即使供电系统出现很短时间的故障 就 可能出现如下的致命后果 有损形象 丢失合同 丢失客户 中止客户服务 产品积压 丢失运行的数据 一个网站宕机 一个潜在的用户在 8s 内离开 一个路由器宕机 局域网 上可能有几百个用户无法工作 一个光纤室宕机 可能有几千个用户断开网络连接 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 1993 年以前着重追求对硬件的保护 1993 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 1 3 一体化网络系统 随着网络应用的深入和用户需求的个性化 对 UPS 的应用要求呈现高可靠性 可管理 性以及经济性并重的趋势 集不间断电源 机柜 电源管理 散热 电力电缆和数据布线 为一体的全套电源供应与管理的 整体方案 可以大大便利用户的选购 安装 维护和扩 容 降低日常管理 维护的成本 这种应用趋势演变为厂商之间综合实力的竞争 包含产 品技术 方案提供以及现场服务等多方面的因素 当前所说供电机房已不再是传统意义的 UPS 设备 而是网络关键物理基础设施的体现 它是一套集成系统 UPS 设备只能说成是该系统的核心部件 由于 UPS 和 EPS 应急电源 等电源保障系统是支持大型电脑 电子设备 电机设备 系统的 这些系统要有集中测控的设备来监控整个过程的运行 10 年前电源保障比较简单 只是单机单元进行监视与维护 后来随着系统愈来愈大 所用的 UPS 容量也愈来愈大 并 要求高可靠性 例如民航导航与空管站的 UPS 要求有两套来自不同电网的功率均分并机 系统 两台 UPS 再并机 即用双总线系统来保证高可靠性与高可用性 如一台 UPS 出故 障 可由并机的另一台承担 一路市电出问题 还有另一路市电来承担 与此同时还要求 能监控每一块电池 对发电机组也需监控 对电机的起动电池也得监控 于是电源就成了 一个与负载 电脑设备 电子设备 机电设备同等重要而复杂的系统 当然 技术上是 可以解决的 但最终受限于成本和价格 于是电源网络化与 IT 化结合起来 形成 电源 发电机 电池及被保护的电脑 电子 机电 网络一体化的系统 也就是把 UPS EPS 电池 发电机 与被保护的电脑 电子 机电系统看作是一个整体 即 电源 电池 电 机 电脑 电子 机电 的 六电一体化网络系统 只顾眼前利益忽视安全要求是非常危险的 近来报道的一些厂矿事故 城市火灾 坍 塌事故等乃是这种意识的严重后果 对于 六电一体网 的建设绝不是一个把 UPS EPS 电池 电机与被保护的电脑 电子 如雷达 导航 通信 机电设备 自动化 系统 简单地接在一个 Ethernet 以太网 上就行了 还要保证物流 能流 人流与信息流 能够充分地流动起来 2 UPS 与 EPS 的应用特点 2 1 常用型 UPS 的特点及功能 UPS 按其设计原理与工作方式可分为离线式 UPS 在线式 UPS 在线互动式 UPS 三种 离线式 UPS 亦称后备式 UPS 以小功率 5kVA 以下 为主 主要对市电进行滤波 稳压调整 以便向负载提供更为稳定的电压 同时通过充电器把电能转变为化学能储存在 蓄电池内 一旦电力中断 电网电压或电网频率超出 UPS 的输入范围 可在极短的时间内 几 ms 开启自身的储备电源 向负载供电 此类 UPS 的特点是转换效率高 易于维护且价 格低廉 为绝大多数中小功率用户电源保护的首选 在线式 UPS 以中大功率 5kVA 以上 为主 逆变器始终处于工作状态 与用电设备同 时运行 在供电状态下的主要功能是稳压和防止电压波动和干扰 避免负载遭到长期低品 质电力的侵害 一旦市电中断 UPS 中的逆变器会利用机内蓄电池所提供的电能来维持负 载的正常运转 供电转换时间为零 真正实现了不间断供电 该类 UPS 供电质量高 但价 格昂贵 在线互动式 UPS 以网络使用为主 它结合了离线式效率高和在线式供电质量高的特点 与离线式 UPS 相比切换时间短 一台 UPS 应该包括传统意义上的以下环节和功能 能在各种复杂的电网环境下运行 在运行中不会对市电产生附加的干扰 输出电性能指标应该是全面的 高质量的 能满足 负载的各项要求 UPS 本身应具有很高的效率 有接近实际市电的输出能力 是一台智能 化程度很高的设备 有高度智能化的自检功能 自动显示 报警 状态记忆功能 以及通 讯功能 UPS 不仅向由它直接供电的各种硬件设备提供全面的保护 在互联网时代 还应 该向他们所运行的软件以及数据传输途径提供安全可靠的保护 可配置相应的电源监控软 件 使其具有远程管理能力 使用户可执行 UPS 与网络管理平台之间的监控和数据通讯操 作 2 2 UPS 与网络和数据密切相关 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 2 2 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 2 4 105h 2 采用具有高度容错功能的 N 1 型 UPS 冗余并机系统来进一步提高 UPS 供电系 统的可靠性 1 1 型冗余并机系统的典型 MTBF 值可达 14 20 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 2 2 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 3 23 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 2 2 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 2 2 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 2 2 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 2 3 EPS 的兴起及现状 EPS 已被广泛应用于建筑电气领域和特殊应急供电场合 随着社会发展 越是信息化 现代化 就越依赖于电力 突然的断电必然会给人们正常的生活秩序和学习带来影响 尤 其是对于生产 生活中特别重要的负荷 一旦中断供电 将会造成重大的经济损失 然而 电力故障具有突发性 不以人们的意志为转移 即使电网设施再先进 意外的断电也在所 难免 目前 城市供电系统的安全对策一般是采用并网供电 为城市电力提供可靠的电源 保护 但从企业及工业 民用建筑使用情况来看 仅仅靠公用电网还远远不够 必须具备 应急供电系统 EPS 其重要性是在事故发生的情况下确保提供所需的应急电力 以有效 降低因为断电而造成的损失 为人们生产和生活安全提供保障 因此 EPS 也被称为 城 市生命线系统 的重要组成部分 2 3 1 EPS 的分类 目前市场上的 EPS 品牌众多 大家在设计上所采用的控制方式和控制手段不尽相同 但针对所带负载的种类大致可以归纳为以下三种 一是主要用于应急照明和事故照明的单 相 EPS 二是用于应急照明 事故照明之外 还有应用于空调 电梯 卷帘门 排气风机 水泵等电感性负载或兼而有之的混合供电的三相系列 EPS 三是直接给电动机供电的变频 系列 EPS 2 3 2 EPS 的设计要求 EPS 可以说是近两年才迅猛发展起来的一个新兴产业 相比于发展成熟的 UPS 而言 有相同之处 也有不同之处 其相同点在于都具备在市电故障 中断 情况下继续向负载提 供交流电源的功能 均采用了 IGBT 逆变技术和脉宽调制 PWM 技术 不同之处是 UPS 除 了提供不间断供电外 还兼备改善市电品质的功能 而 EPS 则主要解决市电故障时的应急 供电问题 UPS 主要是为 IT 行业设备提供用电保障 EPS 则适用于各种行业 UPS 供电 模式要求切换时间很短 0 10ms EPS 则相对较宽 0 4s UPS 主要带计算机类负载 而 EPS 所带负载混杂 UPS 对于运行环境要求较高 EPS 则要求能适应各种环境 UPS 以一 般用户监控为主 EPS 主要用于应急供电 要求与消防联动 UPS 以维护信息传输畅通为 主要目的 EPS 以防范重大灾难事故为主要目的 可以形象地比喻 UPS 以 救数据 为 主 而 EPS 以 救人 为主 一般 EPS 功率较大 机内的逆变器处于备用状态 因而可以 简单地理解为 EPS 就是大功率后备式 UPS 鉴于 EPS 的主要设计思想是在市电突然中断时提供安全可靠的应急电力供应 有效避 免发生灾害时的人身伤亡和财产损失为原则 因此 在设计 EPS 时应着重考虑其安全性 可靠性 适用性及合理性 主要有 1 断电转换时间一般在毫秒级 25ms 以保证供电的及时性 2 负载适应能力强 包括电容性 电感性 混合型负载 而且过载能力和抗冲击能力 强 3 有多路输出 防止输出单一形成的故障 4 有消防联动和远程控制信号 可手动与自动相互转换 5 环境适应能力强 适用于各种恶劣环境 有防止高低温 湿热 盐雾 灰尘 震动 及鼠咬等措施 6 使用寿命长 有电池快速充电能力和管理能力 7 节能 运行效率高 运行成本低 8 有无人值守 自动操作功能 9 报警功能齐全 能及时提供各种异常状况的报警 10 有强启动功能 避免电池环节保护后无法启动 11 无烟雾 无噪音 无公害等 12 维护简单 维护费用低 2 3 3 EPS 的设计原理 1 应急照明和事故照明类照明型的 EPS 一般以单相为主 主要为应急照明场合 商 场 娱乐场所 办公场所 交易场所等 提供集中供电 如图 2 所示 当输入电源正常时 市电一路通过转换装置输出给日常照明 另一路通过充电器给电池组充电 当控制器检测 到市电中断或异常 偏低或偏高 时 向逆变器发出启动信号 并控制互投转换装置转至逆 变器输出 当然 对于 EPS 的接法不同 还可以把 EPS 当作二路电源 三路电源使用 图 2 照明 EPS 的供电系统 2 应急照明及混合型负载类此类型 EPS 一般适用于负载性质比较复杂的场合 譬如既 有照明型负载 又有动力型负载 所以一般以三相居多 如图 3 所示 适用场合为宾馆 高层建筑 医院 大型商场等 图 3 混合负载型 EPS 供电系统 3 电机专用的变频起动类此种类型 EPS 主要为电机类负载而设计 避免因电机起动 过程中的大电流冲击而损坏设备 被广泛应用于大功率电动机负载 比如电梯 消防水泵 大型风机等 与其他 EPS 的不同之处是此类 EPS 一般只有单路输出 如图 4 所示 当三相 输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电 同时经充电器对电池组充电 当三相输入 断电或异常时 自动转由电池组给变频器提供直流电 当需要电机负载工作时 送给变频 器启动信号 运行信号 远程控制信号等 变频器会立即输出 从 0 50Hz 变频 供给电 动机进行变频起动 当其频率到达 50Hz 后保持正常运行 图 4 电机专用型 EPS 的供电系统 2 3 4 EPS 领域的现状 随着科技的不断发展 众多的智能大厦拔地而起 人们在对其居住环境提出了更高要 求的同时 也提出了电力保障和消防安全问题 但 EPS 的起步较发电机和 UPS 要晚 人 们对其认识的程度还不够 所以在众多的应急供电场合 还是以发电机和 UPS 为主要应急 供电方式来实现 EPS 的功能 就提供应急供电能力而言 这两种方式已暴露出许多不足之 处 1 用柴油发电机组作为应急电源是目前大部分工程所采用的 也是最常见的应急备用 电源 由于柴油发电机的容量较大 可并机运行且连续供电时间长 所以已经有较长的应 用历史 然而 无论发电机的起动速度有多快 从停电后使发电机接到起动信号开始 至 发电机电压 频率等达到稳定可以供电时为止 至少需要数十 s 至数 min 这段时间 所 有用电设备均停止工作 就可能造成少数设备的损坏或出现生命财产的安全问题 而 EPS 的启动一般不会超过 25ms 所以不会影响设备的正常工作 另一方面 柴油发电机应用在应急供电场合 有诸多不利之处 主要有 1 在高层建筑中 柴油发电机组一般放在地下室 设计难度大 造价高 配备进风 冷却 排烟 减震 消音等设施都需要充分考虑 2 存在火灾隐患 其油罐像一个极为危险的 炸弹 万一失火 后果不堪设想 3 日常维护比较频繁 工作量大 4 柴油发电机噪音大 产生公害 5 排烟中有大量的二氧化硫 污染严重 影响环保 以负载容量为 200kW 为例 将 EPS 与柴油发电机组的性价比作一个比较 选用 EPS 时 其额定功率与负载功率比为 1 1 即可 其总价约为 60 万元左右 而选用柴油发电机 时 其额定功率与负载功率比应为 1 3 1 5 1 对 200kW 的负载 柴油发电机组需 250kVA 规格 该机组价格为 40 万元左右 但是除机组本身价格之外 还需外加其他辅助 装置费用约 16 29 万元 现以 20 万元计算 即选用柴油发电机组总价为 60 万元左右 所 以 二者价格相差不多 从中也不难看出 如果 EPS 容量小于 200kW 时 其价格要小于 柴油发电机组的综合造价 目前消防应急供电场合的负载总容量一般在 200kW 以下 从投 资的长远利益考虑 EPS 较柴油发电机组经济得多 2 用 UPS 作为应急电源 EPS 从原理结构上和 UPS 大同小异 在线式 UPS 不论市电 是否正常 它都一直由逆变器供电 即按照 市电输入 整流 逆变 输出 的顺序进行 只有在逆变器故障或过载时才改由旁路输出 如图 5 所示 而 EPS 当市电正常时 市电 通过开关 S 输出给负载 同时充电器对电池充电 当控制系统检测到市电停电时 逆变器 工作 使开关 S 切换至逆变输出状态 向负载提供电能 如图 6 所示 图 5 UPS 供电系统 图 6 EPS 供电系统 从以上供电系统图可以看出 UPS 是一种双变换结构的不间断电源 主要为负载提供 稳定的高质量电能 不受市电电网的影响 而且其转换时间一般在 10ms 以内 所以 UPS 被广泛应用于计算机 程控交换机 医疗设备及精密电子仪器等不能中断供电的场所 但 正因为 UPS 不仅担负着应急供电外 还担负着改善电力品质的任务 所以其逆变器要连续 不断地工作 使用寿命相对较短 一般为 5 8 年 尤其是电池的更换较为频繁 另一方面 UPS 的逆变器长期处于工作中 自身的损耗较大 而且对使用环境要求很高 只能放在计 算机房或空调房间里 UPS 专为 IT 行业的计算机类和通讯类负载而设计 其负载适应能力不及 EPS 举例说 明 如果应急供电场合含有交流感应式电动机一类的感性负载 那么在 UPS 的设计选型和 使用中就会出现很大问题 由于交流电动机的起动电流通常是其额定电流的 5 7 倍 而 UPS 的过载能力标准规定 过载 125 时 A 类为 10min B 类为 1min C 类为 30s 过载 150 时 10s 如果想要 UPS 能承受电动机起动电流的冲击能力 势必要增大 UPS 的额定 容量 这无疑将加大投资 还未必能彻底解决问题 因此 选用 UPS 作为应急电源 工作 既不可靠 还得花费大量资金 3 UPS EPS 的发展趋势 3 1 UPS 的控制技术 中小型 UPS 的 AC DC 和 DC AC 变换大多数仍采用模拟控制电路 AC DC 变换 器的控制芯片大多数已集成化 使用简单 工作可靠 DC AC 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 3