UPS的概念及供电原理

UPS的概念及供电原理、供电范围及容量计算（一）UPS的概念（二）不间断电源UPS供电原理（三）UPS电源的技术性能（四）UPS供电方案设计（五）网络机房可选发电技术（六）UPS供电范围和容量估算（一）UPS的概念普通定义：UninterruptablePowerSupply专家认为：UPS应该为UnintenuptablePowerSystem，即是一个高可靠、高性能、高度自动化的供电中心。UPS是UninterruptablePowerSupply的简称，也就是不间断电源。它的出现与最早应用，是为某些重要部门电网掉电时的持续供电提供保障。但是，电子信息产业与网络技术的迅速发展，对供电质量不断提出了更新更高的要求。据统计，在计算机故障中，有50一70%的原因是电源故障造成的。这些电源故障包括电网电压过压、欠压、瞬时跌落、失压和故障停电等由于电源环境、设备以及传输系统，乃至自然环境造成的各种干扰。在这些故障中，电网完全掉电仅占百分之几，在大城市以及供电环境较好的地区，应以几次/年计，但是在有代表性的场所，计算机遭受的电网和传输系统的干扰，幅度在几十伏的可达每日数次之多，所以UPS不再仅仅是为完全掉电提供后备电源的设备，而应为各种电源问题提供解决方案。假设你是一个网络管理员或系统管理员，理解网络不间断并不难，然而很多情况下，没有意识到的电源问题可能会使你的系统出现各种无法解决的困难，甚至于崩溃。系统的可用性至关重要，而作为网络运行基础的电源的可靠性自然成为首先考虑的问题。同时，电源的智能监控与管理在网络经济时代不可或缺。单纯的提供不间断供电已经不能满足要求。专家认为UPS可以改为UnintenuptablePowerSystem的简称，也就是说，UPS，特别是大中型UPS，它已经不仅仅是一台简单的不停电供电整机产品，随着UPS技术的发展和成熟，它将成为一个中型的或者说局部的高可靠、高性能、高度自动化的供电申心。它的功能应该包括我们传统概念上的以下环节和内容:第一，主机运行高效、高可靠，能在各种复杂的电网环境下运行，输出能全面地高质量地满足各种负载的要求。第二，有很强的可用性和可维护性，有高度智能化的自析功能状态显示、报警、状态记录和通讯功能，甚至有环境监测功能。第三，有很强的网络保护功能，也就是说，它不仅向直接由它供电的硬件设备提供可靠的保护，还应该向它们所运行的软件提供保护，UPS可配置相应的电源监控软件，SNMP(网络管理协议)管理器，有远程管理能力，用户可执行UPS与网络管理平台之间的监控。（二）不间断电源UPS供电原理它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电经整流器变为直流，对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流纯净的电源供重要负载，使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放电，经逆变器对重要设备供电。UPS的不间断特性，体现在其转换时间工作程序上，当市电与逆变器进行切换时，其控制系统会适时地检测市电的同步范围，在市电不超限时，逆变器实现“先通后断”的供电，从而保证了供电系统的“不间断切换”。（三）UPS电源的技术性能UPS电源的技术性能随使用要求的不同而不同，主要技术性能包括以下几个方面。1.在线式特点:•双逆变器•输出电性能指标高•输入端AC-DC变换器是整流电路，对电网产生严重的干扰公害•两个变换器始终在100%负载功率下工作，整机效率低，输出能力有局限，可靠性一般•市电－电池转换时，输出电压没有切换时间功能说明•市电正常时，市电经过AC-DC和DC一AC两次变换后向负载供电•DC一AC随时在监测并参与对输出电压的调整，是在线式工作•市电掉电后，电池通过DC一AC逆变器向负载继续供电•当负载过载或逆变器故障时，市电转旁路维持向负载供电在线式原理除了基本供电电路为电池逆变器电路外，基本原理图与后备式相同。无论交流输入电源是否正常，均通过逆变器电路提供电源输出。交流输入电源中断时不需要切换，不存在转为电池供电的切换时间。在电池逆变器出现故障或者逆变器内部失灵时，都需要切换为旁路供电。由于在正常工作情况下，整流器和逆变器都要消耗一定的功率，因此这种类型UPS的效率要比后备式低。无论是在线还是电池供电，在线式UPS的电源输出来自于逆变器，可以提供近乎理想化的电源，频率和电压的稳定性优于其它类型。图中电路各环节功能如下：整流器：该整流器为AC-DC单向变换，当市电存在时;它完成对电池的充电，并通过逆变器向负载供电。逆变器：该逆变器为DC-AC单向逆变，当市电存在时，它从整流器取得功率后再送到输出端，并保证向负载提供高质量的电源，当市电掉电时，由电池通过逆变器向负载供电旁路开关：平时处在断电状态，当主电路发生故障，或者当负载有冲击性（例如启动负载时)时，逆变器停止输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电，旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。双逆变在线式UPS的性能特点如下：因为不管市电有无，负载的全部功率都由逆变器输出，所以可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标，都是比较高的市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间，因为无论市电有无，全部负载功率都由逆变器供出，UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以对负载提出限制条件，例如输出电流峰值系数(一般只达到3:1)、过载能力：输出功率因数一般为0.8。整流电路对电网形成电流谐波干扰，输出功率因数低，谐波电流成份在30%左右，而输入功率因数只有0.8左右，在市电存在时，由于两个逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低，80KVA以下的UPS为80%左右，80KVA的可达85－90%，100KVA以下的可达90-92%。所以在线式能够确保输出高可靠性、高质量电源。在DSP数字控制技术、数字并联技术、网络监控技术、电池管理技术、电源保护技术等方面技术先进，性能可靠。2.高效数字功率器件PIGBT技术采用先进的高效数字功率器件PIGBT作为逆变功率器件，其性能及可靠性高于上一代的功率器件IGBT，提高了逆变器的可靠性和处理速度，其逆变效率高达98%～99%，热功耗极低。谐波分量小于1.5%，使输出波形更好，对负载或接地系统等不会造成干扰。3.DSP技术和SMD电气集成模块采用数字控制技术取代传统的模拟控制。DSP数据处理技术的处理速度是传统微处理器的12倍，并使硬件线路更为简化、可靠性更高、瞬态反映能力更强。电路板采用仿真设计和表面安装焊接技术，使整机散热性好，可靠性更高。4.电池保护功能安全防护电池包括2、6、12V的通用型、深放电型、高比能型、快速充电型、循环耐久型等系列蓄电池产品。电池具有充放电的实时监测、过流及限流保护功能，可防止用户因电池过放电而造成电池永久性损害，防止过充电而造成电池寿命的减短；欠压预警功能可及时通知用户进行相关处理，以免造成大的损失；控制系统可通过设置定期电池自检功能，及时发现故障电池，避免系统故障造成的危害，并可实现在线更换电池。5.灵活可靠的并联技术采用数字模块式环路直接并联技术，能够有效的抑制并机中的环流，可以在UPS不断电的情况下实现并机扩容或维修，可以实现不同功率的UPS直接并联。6.通信及监控功能较强的通信联网功能是指UPS可以采用于接点、JBUS或SITEMONITOR软件，实现远程监控及模拟控制或集中遥测遥控。可以利用Intranet、Internet来监控UPS，每个UPS在网络中有自己的IP地址，可以通过WEB测览器来监控，采用的协议可以是TCP/IP、SNMP、HTTP和JAVA。7.高可靠性UPS单机平均无故障时间都在MTBF35万h，并获得ISO9001国际质量标准证书，干扰标准等证书。8.散热系统机房UPS是最大的噪声源，采用冗余式智能风扇调速散热系统，则微处理器可以依据内部温度及输出功率大小，自动调节风扇的转速，以达到降低噪声、延长风扇寿命及节省能源的目的。9.控制和诊断监控系统智能化UPS应具有专家系统故障诊断软件。当UPS某一部分出现异常后，该系统能迅速对故障进行诊断、推理，判明故障部位，通过显示器给操作者或维修工程师指示，判明故障性质，以便快速修复。同时还可自动记录信息，生成信息档案，便于用户更好使用。10.其他除了上述功能外，还有主/从容错双处理器并行控制技术、过载能力和抗短路保护功能、UPS的非线性带载能力、多种启动方式、多种输入/输出模式、宽电压输入、可靠的旁路转换系统、绿色环保、正面维修、雷电保护等，是针对不同产品所具有的不同功能。此外，大容量的UPS配12脉冲整流器，能够进一步降低输入谐波分量；内置输出隔离变压器，采用零线及火线均隔离的隔离技术，可以进一步提高对负载的保护，有效地隔离零线的干扰，提高UPS系统的适应性等，都是UPS产品近几年来的先进实用技术。（四）UPS供电方案设计很多设计工程师都试图设计出完美无暇的UPS解决方案为关键负载提供支持，不过他们的设计方案往往不一定涉及到设计方案的可用性范围。例如，并联冗余、串联冗余、分布式冗余、热连接、热同步、多路并联总线、双系统以及故障预警系统等，这些都是设计工程师或制造商赋予不同配置方案的名称。这些名称的问题对于不同的用户，它们可能具有不同的含义，可以存在很多种解释方式。虽然目前市场上的UPS配置名目繁多且差别甚大，但最常用的不外乎5种。这5种方案包括:①容量；②串联冗余；③并联冗余；④分布式冗余；⑤双系统。选择系统配置方案时，应当根据负载的关键程度而定。此外，还要考虑停机所带来的影响以及公司的风险承受能力，这样才能更好地找到合适的系统配置方案。下面我们介绍如何为特定应用环境选择恰当的配置方案的一些指导方针。1.可用性、等级和成本1）可用性数据处理中心日益增长的可用性需求，推动着UPS配置的不断发展。“可用性”即电源保持供电并正常运行以支持关键负载的时间百分比估算值，如同其它任何模型一样，为简化分析过程，必须对模型做出一些假设。2）等级一切UPS系统(以及配电设备)都需要定期进行维护。系统配置的可用性一方面取决于配置不受设备故障干扰的水平，另一方面取决于执行正常维护和例行测试以保证关键负载供电的能力。3）成本配置的可用性等级越高，其成本也越高。该成本指的是建造一间新的数据机房所需的成本。因此，其中不仅包括UPS结构的成本，还包括数据机房的整个网络关键物理基础设施(NCPI)的成本。后者包括发电机、开关装置、制冷系统、消防系统、活动地板、机架、照明设施、物理空间和整个系统的调试成本。这些只是前期成本，还不包括运营成本，如维护成本等。在计算上述成本时，我们假设每个机柜平均占地面积为2.79m2，且功率密度范围为每机柜2.3kW至3.8kW。如果分担成本的设备占地面积增大，每机架的成本也将随之降低。说明:在UPS设计配置的计算过程中，通常采用字母N来指代UPS设计记置。例如，并联冗奈系统也称作N+1设计，而双系统设计可以用2N来表示。N可以简单地定义为关键负载的need(需求)。换而言之，应满足所保护设备供电量的电源表亡。我们可以用RAID（独立磁盘冗余阵列）系统等IT设备来解释N的用途。例如，如果存储容量需要4个磁盘，且RAID系统正好包含4个磁盘也称4个磁盘，则称这是一个N设计。反之，如果RAID系统统有5个磁盘，而存储容量只需要4个磁盘，则称为N+1设计。一直以来，在规划关键负载电源时，必须充分考虑以后的发展，以使UPS系统可以为负载提供10或15年的支持。事实证明，按照这一原则进行规划是很困难的。20世纪90年代，为便于提供讨论框架并比较各种设施，曾提出了瓦特。平方面积的概念。但由于人们对平方面积的含义无法达成共识，这种电源设计指标造成了很多误解。近来，伴随着技术精简的大趋势，人们逐渐采用瓦特/机柜的概念来表示系统容量。事实证明，由于单位空间内的机架数量很容易统计，因此这种度量方式的准确性更高。无论如何选择负载方式，有一点很重要，那就是应当从一开始便选择好配置方案，使设计过程沿着正确的方向进行。