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 數據中心中UPS電源技術詳解
   
　　GB50052---1995《供配電系統設計規范》中的強制性條文規定："一級負荷中特別重要的負荷，除由兩個電源供電外，尚應增設應急電源。"柴油發電機組可以作為應急電源，但其反應速度太慢，要15，才能恢復供電，這與現代化的通信及網絡信息數據流無法匹配。因此，工程中的一些重要部門和系統必須考慮不間斷電源UPS供電。
　　1.交流不間斷電源系統供電
　　在下列情況下應設計并采用交流不間斷電源系統供電：
　　(1)對供電可靠性要求較高，采用備用電源自動投人方式或柴油發電機組應急自啟動方式等仍不能滿足要求時。
　　(2)一般穩壓穩頻設備不能滿足要求時。
　　(3)需要保證順序斷電安全停機時。
　　(4)電子計算機系統實時控制時。
　　(5)電子計算機系統聯網運行時。
　　計算機設備對電源要求質量較高，不僅要求采用不間斷供電系統，而且要求電源電壓波動在一定范圍以內才能正常工作。網絡數據傳輸設備要求電源電壓的波動在±5%以內。
　　2.UPS的特性
　　UPS是一種高質量、高可靠性的獨立電源，是一種蓄電池靜止型不間斷供電裝置。它由整流器、逆變器、交流靜態開關和蓄電池組組成。平時，市電經整流器變為直流對蓄電池浮充電，同時經逆變器輸出高質量的交流凈化電源供重要負載，使其不受市電的電壓、頻率、諧波干擾。當市電因故停電時，系統自動切換到蓄電池組，蓄電池放電，經逆變器對重要負荷供電。
　　UPS的不間斷特性體現在其"同步切換"工作程序上，當市電與逆變器進行切換時，其控制系統會適時地檢測市電的同步范圍，在市電不超限時，逆變器實現"先通后斷"的供電，從而保證了供電系統的"無間斷切換"。
　　市場上的UPS產品，其容量規格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kV A等，并巳形成系列化產品。一般都經IS0g00l國際質量標準認證、UL安全標準及CE抗電磁干擾認證和標記。多數采用了PWM脈寬調頻技術、PIGBT高效功率器件、微處理器主/從控制技術等，可雙機或多機并聯。具備電池測試維護、微機監控元人值守、可遠程通信等功能;在機器構成上，元器件標準化、模塊化、互換性好;有寬電壓輸入、高效率輸出、過載能力強等優良性能。
　　3.UPS的供電方式
　　UPS電源的工作方式根據用電設備對供電可靠性和連續性的要求可分為單一式、并聯式、冗余式和并聯冗余式等方式;根據用電設備對供電可靠性和管理方便的要求也可分為分散式、集中式、分散與集中相結合三種方式。分散式UPS供電采用的設備容量都比較小，支持時間較短，適合用于一些辦公區和控制室;集中式UPS供電適合一些要求支持時間較長和較大型的計算機網絡機房等。應當根據甲方需求來確定采用哪種UPS的供電方式和容量。集中設置的UPS電源容量的統計需由設計方與業主密切配合，并考慮所選UPS產品的轉換效率。尤其是功率較大時，UPS轉換效率非常重要，效率高就可節省初期投資和長期能源損耗的費用。
　　一般情況下，機房供電采用市電十UPS后備電池相結合的方式較多。正常情況下，市電通過UPS穩頻穩壓后給計算機設備供電，保證計算機設備的電能質量;當市電停電時，后備電池通過UPS逆變后給計算機設備供電，保證計算機設備的電源。市電與UPS后備電池間通過靜電轉換開關切換，確保計算機設備無瞬間斷電。
　　UPS供電為集中方式時，還應充分考慮UPS機房的設備布置、饋線的鋪設、主機柜的散熱和整個機房的降噪措施等;對于分散式UPS供電，分散在各處的UPS容量都很小，上述問題可不予考慮。但是，UPS電源都應引自雙電源末端互投配電柜(箱)的出線回路，不能從普通插座接引。
　　設計UPS供電方案時，針對分散在各處的重要控制室，在保證雙電源末端自投的一級供電模式下，采用分散式小型UPS電源作為后備供電也很實用。
　　4.盡量避免過電流充電
　　過電流充電易造成電池內部的正負極板彎曲，使極板表面的活性物質脫落，造成電池可供使用容量下降，情況嚴重時會造成電池內部極板短路而損壞。
　　5.盡量避免蓄電池過電壓充電
　　過電壓充電往往會造成蓄電池電解液所含的水被電解分離成氫氣和氧氣而逸出，從而使電池使用壽命縮短。
　　6.更換活性下降、內阻過大的電池
　　(1)隨著UPS電源使用時間的延長，總有部分電池的充放電特性會逐漸變壞，端電壓明顯下降，這種電池的性能不可能再依靠UPS電源內部的充電電路來解決，繼續使用會存在隱患，應及時更換。
　　(2)由于蓄電池內阻增大，當用正常的充電電壓對電池進行充電已不能使蓄電池恢復其充電特性時應及時更換。電池的內阻一般在10--30mn，如果電池的內阻超過200m巴則將不足以維持UPS的正常運行，對內阻偏大的電池必須更換。
　　7.避免新舊蓄電池混用或新舊電池混合充電
　　由于新電池的內阻都比較小，而舊電池的內阻都有不同程度的增大，當新舊電池混合在一起充電時，由于舊電池的內阻大，分壓會相對偏大，極容易造成過電壓充電現象;而對于新電池，內阻較小，充電電壓小但電流偏大，又容易造成過電流現象，所以在充放電過程中應避免新舊電池混充。

UPS輸出隔離變壓器的作用

　　能夠取消輸出隔離變器的理由何在?以往有的認為工頻機的變壓器具有抗干擾和緩沖負載突變的作用，好像這個變壓器是為了這些目的專門為用戶設計的。是不是這樣呢?回答是否定的。首先，他把變壓器當成了電抗器，豈不知電抗器和變壓器有著本質的區別。再就是這個變壓器是工頻機不可分離的構成部分，而且作用也很簡單，下面進行討論。

　　(1)工頻變壓器的作用

　　UPS輸出的有效值電壓為220V，其正弦波交流電壓的峰峰值電壓是620V，而一般單相UPS的輸入整流電壓才310V(這還不包括一般為196V電池的情況)，為了使逆變器不失真地輸出有效值為220V的正弦波交流電壓，逆變器前面的直流電壓必須是650V∼870V。由于工頻機逆變器的輸入電壓遠遠低于這個值，所以必須加一個輸出變壓器將電壓提升到額定峰值以上才可使用，如圖3所示。圖中所示為電池電壓是192V的情況。在中小功率中，為了節約成本，一般都不將電池電壓做得太高，所以輸出隔離變壓器一般為升壓工作方式。圖中虛線以左的部分為輸入隔離變壓器，現在已不作為標配。　

　　圖3 輸出隔離變壓器的升壓作用電原理圖

　　(2)對零線的隔離作用

　　工頻機UPS采用的是全橋變換器，如圖4所示。這種變換器輸出的不是一根火線和一根零線，而是兩根火線。但一般的UPS負載要求必須具有零線，以便于接地，如果在沒有輸出隔離變壓器的情況下，就將一根火線硬性接地，如圖4(a)所示，就會導致UPS的工作失常。圖中給出了在電壓正弦波正半波時的電流流動方向和途徑，負半波也是如此。從圖中可以看出，由于零線的接入，使負載電流經過負載后不是經過整流器和逆變管，而是直接流回市電的零線輸入端，在這種情況下，圖中用虛線標出的一只整流器和一只逆變功率管就未起作用。按照正常的工作程序，負載電流應該流過兩個橋式電路的各2只管子，如圖4(c)所示，圖4(d)是它的等效電路。由電路可以看出，當在輸出端增加了隔離變壓器后，就可以在變壓器的次級(負載輸入端)連接市電的零線，于是就構成了一個可靠的供電系統。

　　所以這個變壓器是全橋電路不可分割的一部分。是為了解決上述困難的權宜之計，和其他沒有必然關系。　

　　(a)無輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑　 　　(b)無輸出變壓器正半波時的等效電路　　 　　(c)有輸出變壓器正半波時的電流流動方向和途徑　 　　(d)有輸出隔離變壓器時的正半波等效電路　　圖4 工頻機整流/逆變電流途徑原理圖

　　(3) 隔離變壓器不能隔離干擾和緩沖負載

　　目前所有UPS的隔離變壓器都是為了變壓和隔離零線(或接地)的目的而接入的，并沒有隔離干擾和緩沖負載突變的功能。圖5給出了這種變壓器的結構原理圖。從圖中可以看出，變壓器的初級和次級之間都有絕緣層，他們就構成了一個一定容量的電容器C，電容器的容抗和頻率是成反比關系的，即：　

　　圖5 UPS變壓器電原理圖　(1) 　　式中：　　XC是變壓器初次級間等效分布電容的容抗，單位是Ω;　　f是干擾信號的頻率。單位是Hz;　　C是變壓器初次級間等效分布電容量，單位為F。

　　從這個公式可以看出，頻率越高，容抗就越小，也就是說干擾信號的頻率越高，這個電容通路就越容易被穿過。由于一般干擾信號的頻率是很高的，可以直接穿過變壓器而長驅直入去干擾負載。若是較低頻率的干擾到來，它就會按照變壓器的變比按比例變換過去而干擾負載。正因為變壓器并不抗干擾，所以幾乎所有UPS都在輸入和輸出端加有輸入/輸出濾波器，如圖6所示。　

　　圖6 一般工頻機UPS電源結構方框圖

　　同樣，該變壓器也沒有緩沖負載電流突然變化的能力。根據能量守恒定律，變壓器初次級之間的能量傳遞是等量的，即：

　　U1I1=U2I2 (2)

　　比如當負載端短路時，次級電流I2就會趨向于無窮大，為了平衡負載端的變化，變壓器初級電流I1也會趨向于無窮大。也許有人會說：變壓器的漏感可阻止電流的突然變化，這一來是變壓器的漏感很小，不足以阻止這種變化，另一方面，高頻機的輸出端照樣串有小容量的電感，在這一點上二者是等效的，都起不了關鍵作用。為了彌補這個不足，所以在所有UPS的輸出端都接有電流傳感器，一旦出現過載或短路現象，就用停止逆變器工作的方法來保護。

　　另一方面，如果上述變壓器具有抗干擾功能，那么這個變壓器必須具備分辨有用信號和干擾信號的功能，比如圖7示出了非線性負載工作時的電流波形圖。非線性負載向UPS索取的工作電流大小是不定的，隨機的，哪一個變壓器能從圖7的電流波形中分辨出有用和干擾電流呢?沒有一個UPS輸出變壓器具有這種分辨能力，那么抗干擾之說也就沒有根據了。　

　　圖7 非線性負載工作電流圖

　　(4) 高頻機UPS真的沒有變壓器嗎?

　　一般認為高頻機沒有變壓器，這是一種誤解。實際上在高頻機UPS中也有變壓器，比如UPS輸出交流電壓220V時的電壓幅度峰峰值約620V，而UPS中的電池電壓一般小功率采用的是192V、72V、48V或者更小。如果沒有變壓器又如何將這些低壓升至620V呢!在人們的習慣中大都認為有線圈和鐵心的才叫變壓器，否則就不是變壓器，這就有些片面了。比如在小功率高頻UPS中的整流器和逆變器之間有一個Boost 升壓電路，這就只電子變壓器，凡是能將一個電壓值變換為另一個電壓值的裝置都是變壓器，只是人們還不習慣而已。不能以外形如何來定義，又比如電磁爐和微波爐哪一個外形也不像習慣上做飯的爐子;宇宙飛船既沒有能飛的翅膀也不像船…，但對這些東西，人們已習慣了，也就叫開了。高頻機UPS由于有了這個電子變壓器又帶來了很多好處：不但可以變壓，而且還有輸入功率因數校正功能，它可以將輸入功率因數校正到接近于1，這是工頻變壓器所無法實現的;它的抗干擾功能也是工頻變壓器無法比擬的，這是因為普通電磁式變壓器將輸入的電壓波形沒有失真地傳遞到輸出端，所以也將干擾一并送出。高頻機的電子變壓器則不然，如圖8(a)所示的電路是將輸入電壓波形進行切割后儲能送出：當整流正弦半波電壓波形到來時，開關S閉合，電流經電感L和開關S和輸入形成回路，如圖中實線所示，此時能量儲存在電感L中，開關S按照一定的頻率開斷與閉合，當開關斷開后，儲存在L中的能量沿虛線方向給二極管D后的電容和負載供電，而后再重復下一個同樣的周期。其波形的關系如圖8(b)和8(c)所示。從圖中可以看出，電子變壓器取能時，并不將其送出，而是以靜態的形式儲存，不取能時再將儲存在電感中的能量送出。換言之，即使電網中有干擾，也會將動態干擾在儲能過程中平復，就像波浪翻滾的河水流入水庫后就會“偃旗息鼓”，平靜下來，而由水庫向外提供的水流則是平緩的。誰也不會相信電池向外提供的電流中會有干擾成分。　

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UPS電源的供電可靠性

　　UPS電源涉及電力電子和材料等學科，單機平均無故障時間的提高受制于相關學科理論和半導體材料的限制，現階段難有突破，即UPS技術處于成熟階段。UPS供電系統采用冗余技術是目前UPS系統提高可靠性的主要方式。

　　UPS的可靠性＝提高單機平均無故障時間＋冗余

　　單機平均無故障時間（MTBF)=20-25萬小時

　　UPS冗余配電方案無非是1+1（塔式機）或N+X（模塊機）。塔式機主要內置整流器、逆變器、靜態開關及控制電路，模塊機則由機架、UPS 功率模塊、靜態開關模塊、顯示通信模塊以及電池組構成。塔式機多采用1+1冗余系統可靠性較低，而模塊機可實現N+X冗余系統無單點故障瓶頸，所以模塊UPS是可靠性的最佳選擇。

塔式機

模塊UPS

　　UPS電源的可擴展性

　　考慮負載是針對當前需求，可擴展性則是著眼未來。考慮到未來業務增長對系統的需求，如果想讓自己的UPS系統的功率與實際需求一起增長，在UPS采購的時候，則需要著重考慮到UPS電源的可擴展性。通過分析，模塊UPS效能的集成化特點可最大提高系統可靠性和可用性。

　　UPS電源的高效率要求

　　UPS實際效率的高低由帶載量決定：負載50%時整機效率≤70% ，負載60%時整機效率≥80%
 

　　中國電信集團電源維護技術支撐中心對UPS效率測試結果

　　如果傳統塔式機在1+1冗余下做1次冗余，每臺設備帶載將≤50%，但效率≤60% ，這已經是能耗比低的表現。而在正常運行下的模塊機，可根據實際負載量來配置合理的電源容量，并留2至4個冗余功率模塊，這無疑是既方便又高效。

　　UPS電源的可維護性

　　傳統UPS的維護特點：

電路板級的維修 修復時間受人為因素影響較大 需專業工程師到現場 需在停電或旁路狀態下維護

　　模塊UPS維護特點：

模塊級的維修，無需查找故障點 修復時間不受人為因素影響，可控性強 一般不需工程師到現場，可自主維護 無需轉旁路、在線熱插拔，不影響負載運行

（吉林）大力神蓄電池辦事處

大力神蓄電池（LIBERTY電池）產品特點：
（1） 粗壯的極板使電池具有更長的壽命
（2） 阻燃的單向排氣閥使電池安全且具有長壽命
（3） 持久耐用的聚丙烯（PP）電池槽蓋
（4） 槽蓋的熱封黏結可以杜絕滲漏
（5） 吸附式玻璃纖維技術使氣體復合效率高達99%，使電解液具有免維護功能
（6） UL的認證

產品型號及技術規格（General Specifications）：

各電池型號在1.75伏單體最終電壓，77℉，25℃時之額定容量(Ah)
Ampere Hour Capacity At End Point 1.75V Per Cell @77℉(25℃)

 大力神蓄電池銷售網址：www.dlsxdcdl.com