UPS技术及其发展趋势

2006-05-07 15:49:49来源: 电子技术应用

计算机已在各行各业得到广泛应用。作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的的一个重要因素——电源质量的可靠性应当成为中小企业首要考虑的问题。伴随着计算机的诞生而出现的UPS(Uninterruptable Power System)现已被广大计算机用户所接受。UPS主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。目前,UPS正在被广泛地应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。

1 UPS的工作原理

UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。当市电正常输入时,UPS就将市电稳压后供给负载使用,同时对机内电池充电,把能量储存在电池中;当市电中断(事故停电)或输入故障时,UPS即将机内电池的能量转换为220V交流电继续供负载使用,使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

目前市上供应的UPS电源设备种类较多,输出功率为500VA~3000kVA。UPS按工作模式可分为后备式、在线式和在线互动式3大类,按其输出波形又可分为方波输出和正弦波输出两种。

1.1 后备式UPS电源

在市电正常供电时,市电通过交流旁路通道再经转换开关直接向负载提供电源,机内的逆变器处于停止工作状态,这时的UPS电源实质上相当于一台性能较差的市电稳压器。它除了对市电电压的幅度波动有所改善外,对电压的频率不稳、波形畸变以及从电网侵入的干扰等不良影响基本上没有任何改善。只有当市电供电中断或低于170V时,蓄电池才对UPS逆变器供电,并向负载提供稳压、稳频的方波交流电源。

1.2 在线式UPS电源

在市电正常供电时,它首先将市交流电源经整流变成直流电源,然后进行脉宽调制、滤波,再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。一旦市电中断,立即改由蓄电池提供的直流电经逆变器向负载提供正弦波交流电源。因此,对在线式UPS电源而言,在正常情况下,无论有无市电,它都是由UPS电源的逆变器对负载供电,这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰而带来的影响。显而易见,在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源。因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电,而且在由市电供电转换到蓄电池供电时,其转换时间为零。真正给用户提供高质的稳压、稳频的纯净正弦波电源,从而提供符合网络系统需要的电源保护。

1.2 在线互动式UPS电源

在市电正常供电时,它首先将市电交流电源经整流变成直流电源,然后进行脉宽调制、滤波,再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。一旦市电中断,立即改由蓄电电池提供的直流电经逆变器向负载提供正弦波交流电源。因此,对在线式UPS电源而言,在正常情况下,无论有无市电,它都是由UPS电源的逆变器对负载供电,这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰而带来的影响。显而易见,在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源。因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电,而且在由市电供电转换到蓄电池供电时,其转换时间为零。真正给用户提供高质的稳压、稳频的纯净正弦波电源,从而提供符合网络系统需要的电源保护。

1.2 在线互动式UPS电源

在线互动式UPS电源也被称为3端口式UPS电源,使用的是工频变压器。从能量传递的角度来考虑,其变压器存在3个能量流动的端口:端口1连接市电输入;端口2通过双向变换器与蓄电池相连;端口3输出。市电供电时,交流电经端口1流入变压器,稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头接入,同时在端口2的双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节端口3上的输出电压,以此来达到比较好的稳压效果。市电掉电时,蓄电池通过双向变换器经端口2给变压器供电,维持端口3上的交流输出。在线互动式UPS电源在变压器抽头切换的过程中,双向变换器作为逆变器方式工作。蓄电池供电,因此能实现输出电压的不间断,同样在由市电供电到电池供电的切换过程中也能做到没有转换时间。在线互动式UPS电池的电路实现简单,没有单独的充电器,带来的是生产成本的降低和可靠性的提高。这类产品在市电供电工作时也不存在AC/DC、DC/AC的转换,使整机效率有所提高。在线互动式UPS很好地结合了后备式UPS和在线式UPS的许多优点,是一种很不错的变换形式。但是由于它使用的是工频变压器,同样有笨重、体积大的问题。

2 UPS的选购

一台UPS至少可以使用3年以上。用户在挑选UPS电源时,应根据自己的要求 来确定挑选标准,选择最适合自己身业务需求的UPS,而不是最便宜或最高档的。在选购UPS之前,用户应就负载设备所处理资料的重要性、各种用电设备对电源质量的要求、安装与空间要求以及经济预算等因素综合考虑。此外,UPS的重量和体积大小是否合适也是我们在选购时应注意的关键问题。

接下来,用户应了解所需UPS的容量,并考虑未来扩充设备时的总容量。选择有信誉的品牌与制造商也是必不可少的。当然,在购买UPS时还要注意其输出功率、可供电时间长短、输出电压波形、瞬时响应特性、输出频率稳定度、波形失真系数、输出电压稳度、安全性能、可维护性能及价格等诸多问题。简而言之,用户应根据自身的业务需求选购适当的UPS产品,并从技术性能、服务保证和产品价格3个方面进行考虑。

网络用户可以考虑选用在线互动式UPS电源。在线互动式UPS种类较多,但品质良莠不齐,在选购时,一定要认准好的品牌。

对供电质量要求很高的计算中心、网管中心(例如:银行、证券、航管中心)等,为确保对负载供电的万无一失,常需要采用下述几种具有“容错”功能的冗余供电系统。

主机-从机型“热备份”冗余供电系统:其结构是将主机UPS的交流旁路连接到从机UPS的逆变器电源输出端,万一主机UPS出故障,可改由从机UPS带载。这种冗余工作方式由于没有“扩容”功能和可能出现4毫秒的供电中断,其应用范围有限。

“1+1”型直接开机冗余供电系统:它是通过将两台具有相同功率的UPS的输出置于同幅度、同相位和同频率的状态而直接并联起来。正常工作时,由两台UPS各承担1/2负载电流,如果其中一台UPS出故障,则由剩下的一台UPS来承担全部负载。这种并机系统的平均故障间隔时间(MTBF)是单机UPS的7~8倍,从而大大提高了系统的可靠性。

3 UPS的日常维护

随着电脑的日益普及,电脑的保护神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。

(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%。

(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,何况这种电池很贵。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。

(4)定期维护。通常,半年应该测量一下UPS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。

(5)注意防雷击。一定要注意保证UPS的有效屏蔽和接地保护。

4 UPS的发展趋势

随着新技术不断开发和在实践中的逐步应用,可以预见:今后UPS将向着高频化、智能化、网络化和大容量单机冗余化的方向发展。

高频化:虽然传统在线式UPS的技术已经非常成熟,由于它本身带有许多无法突破的问题,供其发展前途受限。高频化概念的引入,给UPS的发展带来了许多新的思路和空间。随着高频技术和器件的发展,3kVA及以下的高频在线式UPS的技术和产品已经成熟悉,其功能和可靠性均应高于传统UPS。高频化对于减小体积、降低成本以及对曲线性负载有更好的响应上起着重要的作用。

智能化:微处理器在UPS上的应用,过去只在大、中型UPS上采用,但近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展,其带来的结果是UPS的智能化发展,包括控制、检测和通信。UPS逐渐由计算机来进行管理,并且计算机及外设能“自主”应付一些可能预见到的问题,能进行自动管理和调整,如自动关闭宿主计算机的操作系统并关闭其电源,定时开关UPS本身等,并能将有关信号通过网络传递给操作系统或网络管理员,便于进行远程管理。

网络化:把UPS做为网络家庭一个成员的要求越来越迫切,因为它是网络能正常运行的基础。要求UPS拥有更大的蓄电量、可以同时为多台计算机或其它外设服务,并能够通过某种机制达成负载之间的动态配置。

大容量单机冗余化:由于网络对UPS可靠性的要求越来越高,而解决可靠性的途径除要求元器件本身高可靠外,就是用冗余的方法。小容量UPS的单机内冗余已出现。在大容量的UPS目前还必须通过并机的方法实现,但这样作又作用户投资太大。毫无疑问,使用Internet技术监控UPS系统将成为未来UPS技术的主流之一。

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