UPS的技術(shù)要求與發(fā)展趨勢

UPS的技術(shù)要求與發(fā)展趨勢

摘要：對(duì)我國UPS市場的現(xiàn)況、UPS的技術(shù)要求與發(fā)展的趨勢進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：UPS功率因數(shù)冗余式數(shù)字化智能化

Specification and Development Tendency of UPS

Abstract:The market of UPS in our country as well as specification and development tendency of UPS are discussed.

Keywords:UPS Power factor Redundance Digitalization Intelligence

1引言

研究表明，每臺(tái)PC機(jī)平均每月受到雷擊、浪涌、低壓、噪音或斷電等電源問題的侵害多達(dá)120次，如果不能及時(shí)地解決這些問題，系統(tǒng)中的寶貴數(shù)據(jù)（或程序）將有丟失的危險(xiǎn)。對(duì)于軍事裝備的指揮系統(tǒng)，電網(wǎng)的不正常所造成的影響將更加嚴(yán)重。由于計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、數(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)、航空管理和醫(yī)用診斷系統(tǒng)等精密儀器對(duì)交流供電系統(tǒng)都提出了不間斷和可靠性的要求，使UPS在技術(shù)成熟程度、產(chǎn)品質(zhì)量和銷售量等方面都有了長足的發(fā)展。

產(chǎn)品本身的質(zhì)量和技術(shù)性能只是產(chǎn)品的一個(gè)方面，如果沒有相應(yīng)的服務(wù)，其工作就不是完整的，隨著UPS在中國市場的普及，UPS的服務(wù)與支持系統(tǒng)也不斷完善和發(fā)展，高可靠性的UPS系統(tǒng)加上完善的售后服務(wù)體系，將是滿足廣大UPS用戶的根本保證。

我國對(duì)UPS的需求量將大于西方，原因是：

（1）計(jì)算機(jī)的普及和大量應(yīng)用。

（2）市電質(zhì)量比西方國家差，電網(wǎng)供電不足、電壓波動(dòng)大、干擾嚴(yán)重是長時(shí)期的問題。

（3）現(xiàn)代化的進(jìn)展，CAD/CAM系統(tǒng)的應(yīng)用已提到議事日程上來，對(duì)UPS的需求將與日俱增。

當(dāng)前我國UPS市場，尤其是中大功率UPS產(chǎn)品，主要被國外的一些UPS生產(chǎn)廠家所占領(lǐng)，其中包括美國APC公司、瑞士INVERTOMATIC公司、美國EXIDE公司、美國SANTAK公司、法國MERLINGERIN公司、日本MITSUBISHI公司、德國SIEMENS公司等品牌。而主要用于美國國防軍工部門的美國ELGAR公司、美國ETI公司生產(chǎn)的用于軍工防御領(lǐng)域的UPS還未進(jìn)入我國市場。

2UPS的供電環(huán)境與對(duì)輸入輸出指標(biāo)的要求

2.1與市電有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)

UPS必須能在當(dāng)?shù)厥须姉l件下正常運(yùn)行，并且不對(duì)市電產(chǎn)生不良影響。這方面的性能指標(biāo)包括：

（1）允許市電電壓的變化范圍；

（2）允許市電電壓波形失真度；

（3）允許市電的不平衡度（三相）；

（4）允許市電頻率變化范圍；

　　（5）UPS輸入功率因數(shù)；

　　（6）UPS輸入電流的諧波成份。

上述的（1）、（2）、（3）、（4）項(xiàng)是要求UPS能適應(yīng)市電的情況，（5）、（6）項(xiàng)則表示UPS對(duì)市電影響的程度。

2.2滿足負(fù)載要求的UPS常規(guī)輸出指標(biāo)

　　UPS要滿足負(fù)載要求，改善供電質(zhì)量，這些指標(biāo)包括：

　　(1)輸出電壓穩(wěn)定精度；

　　(2)輸出電壓波形失真度；

(3)輸出電壓不平衡度；

　　(4)輸出電壓頻率穩(wěn)定度；

　　(5)市電掉電時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間；

　　(6)市電掉電后繼續(xù)供電的維持時(shí)間；

(7)抗干擾配置及抗干擾功能。

2.3UPS輸出能力及可靠性

　　對(duì)于使用者來說，要求UPS具有足夠的輸出能力及可靠性，否則就會(huì)影響負(fù)載的運(yùn)行，甚至構(gòu)成新的故障源。輸出能力指標(biāo)既是負(fù)載的要求，也直接反映UPS的可靠性，實(shí)際上是可靠性的量化，這些指標(biāo)包括：

　?。?）運(yùn)行效率；

　　（2）輸出電流峰值系數(shù)（周期性峰值負(fù)載）；

　?。?）輸出電流浪涌系數(shù)（非周期性峰值負(fù)載）；

　　（4）輸出過載能力；

　?。?）輸出功率因數(shù)；

　　（6）冷起動(dòng)能力；

　?。?）平均無故障時(shí)間（MTBF）。

2.4智能管理及通信功能

　　（1）自動(dòng)檢測、顯示、報(bào)警以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置功能；

　?。?）本地智能管理接口（串口RS232或者繼電器觸點(diǎn)接口）；

　?。?）網(wǎng)絡(luò)管理，專用電源監(jiān)控軟件，支持SNMP網(wǎng)管理，可支持的管理平臺(tái)及相應(yīng)的認(rèn)證；

　?。?）網(wǎng)絡(luò)通訊，支持基于TCP/IP之上的網(wǎng)絡(luò)信息傳送；

（5）基于公用網(wǎng)通訊，支持基于公用電話網(wǎng)的信息傳送。

2.5對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)能力

　?。?）工業(yè)品UPS對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)能力有五項(xiàng)指標(biāo)：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、振動(dòng)沖擊、海拔高度及抗雷擊的能力；

（2）軍用品UPS除以上指標(biāo)外還要具有：防霉菌、防水、防腐蝕、防鹽霧、防輻射等功能。

3UPS的發(fā)展趨勢

3.1優(yōu)越的功率因數(shù)指標(biāo)

　　UPS有兩個(gè)功率因數(shù)：輸入功率因數(shù)和輸出功率因數(shù)，輸入功率因數(shù)表示UPS對(duì)市電有功功率吸收的能力及對(duì)市電影響的程度，輸出功率因數(shù)表示UPS適應(yīng)負(fù)載性質(zhì)的能力。

　　（1）UPS輸入功率因數(shù)

　　輸入功率因數(shù)是一個(gè)重要指標(biāo)。提高此項(xiàng)指標(biāo)不僅可以降低線路損耗，節(jié)約電能，消除火災(zāi)隱患，還可以減少對(duì)市電的諧波污染，提高市電的供電質(zhì)量，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。傳統(tǒng)提高輸入功率因數(shù)的方法為無源功率因數(shù)校正技術(shù)，而現(xiàn)在發(fā)展為：單相市電輸入的UPS采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，三相市電輸入的UPS采用SPWM高頻整流來提高UPS輸入功率因數(shù)。最理想的輸入功率因數(shù)是1，表明輸入電壓和電流均為正弦波時(shí)其相位完全相同。

　　（2）UPS輸出功率因數(shù)

輸出功率因數(shù)是適應(yīng)不同性質(zhì)負(fù)載的能力。就是說小功率因數(shù)包含有大功率因數(shù)的特點(diǎn)，而大功率因數(shù)就辦不了小功率因數(shù)的事。最理想的輸出功率因數(shù)是超前0.0～滯后0.0,這時(shí)說明它可以帶任何性質(zhì)的負(fù)載。

3.2高可靠性的“冗余式”UPS供電系統(tǒng)

　　對(duì)于某些重要的用戶而言，他們要求UPS供電系統(tǒng)的故障率非常低，最好其故障率為零。例如：銀行的結(jié)算中心，航空管理系統(tǒng)，大規(guī)模集成電路流水生產(chǎn)線等。就目前的UPS制造技術(shù)和工藝水平而言，已可使UPS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均無故障工作時(shí)間（MTBF）已做到5～14萬小時(shí)，對(duì)大型UPS而言，它的MTBF可達(dá)24萬小時(shí)以上。然而，即使對(duì)于這樣高質(zhì)量的系統(tǒng)，也不能確保它的故障率為零。在UPS中可采用具有容錯(cuò)功能的冗余配置方案來解決這個(gè)問題。所謂“容錯(cuò)”特性，是指在整個(gè)UPS供電系統(tǒng)中，如果因故造成個(gè)別機(jī)器出故障時(shí)，該UPS供電系統(tǒng)自動(dòng)將有故障的機(jī)器“脫機(jī)”進(jìn)行檢修的同時(shí)，整個(gè)UPS供電系統(tǒng)必須繼續(xù)向用戶提供22高質(zhì)量電源。由于在冗余式UPS供電系統(tǒng)中，采用了多臺(tái)UPS組合起來共同承擔(dān)向負(fù)載供電的任務(wù)，因此如何正確地解決好多臺(tái)UPS輸出的交流電源以同頻率、同相位和同幅度的方式運(yùn)行是能否成功地實(shí)現(xiàn)多臺(tái)UPS冗余供電的關(guān)鍵。就目前所掌握的資料來看，有如下幾種冗余配置方案可供用戶選擇：

（1）主機(jī)－從機(jī)型的“熱備份”UPS供電方式；

（2）直接并聯(lián)供電方式；

（3）雙總線冗余供電方式。

3.3全數(shù)字化UPS

　　傳統(tǒng)UPS存在的問題：

（1）輸入輸出變壓器尺寸大；

　　(2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大；

　　(3)變壓器和電感器產(chǎn)生的音頻噪聲較大；

　　(4)對(duì)市電和負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能較差。

功率MOSFET及IGBT的問世為UPS開拓出一條光輝燦爛之路，使UPS技術(shù)步入嶄新的時(shí)代——全數(shù)字化時(shí)代。

首先,UPS的輸入部分取消了用于與市電隔離的工頻變壓器或?yàn)榻祲河玫淖择钭儔浩?而采用SPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側(cè)濾波器尺寸，改善直流側(cè)調(diào)節(jié)性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術(shù)中采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制，使輸入電流正弦化，并與市電電壓同相，從而實(shí)現(xiàn)UPS高輸入功率因數(shù)（PF≈1），消除對(duì)市電的諧波“污染”，達(dá)到環(huán)保目的，大幅度減少無功損耗，明顯降低了運(yùn)行成本。

其次，取消了UPS逆變器中的工頻變壓器，用高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)UPS與市電的隔離，而UPS的輸出級(jí)采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率MOSFET或IGBT工作頻率在20kHz以上，因此輸出濾波器小而簡單，而且輸出的正弦波非常光滑。

　　對(duì)于UPS內(nèi)部的蓄電池組采取高頻變換降壓方式（DC/DC）充電，當(dāng)市電停電，UPS轉(zhuǎn)換為由蓄電池給逆變器供電時(shí)亦采取高頻變換降壓方式（DC/DC）實(shí)現(xiàn)。

在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術(shù)，使其調(diào)節(jié)高速化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)式模擬反饋技術(shù)，再加上小的輸出濾波器和20kHz以上的SPWM調(diào)制，使UPS動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性非常好。在逆變器保護(hù)電路中采用性能優(yōu)良的過流保護(hù)技術(shù)，使逆變器不僅具有較強(qiáng)的過載能力，允許100％負(fù)載不平衡（指三相逆變器），而且具有強(qiáng)有力的自身保護(hù)。也正是在上述條件保證下，拋棄了傳統(tǒng)式逆變器輸出變壓器，不僅噪音低而且效率高。

　　全數(shù)字化UPS是新一代UPS，它除具有高質(zhì)量、高可靠、高指標(biāo)、多功能等特點(diǎn)外，還符合當(dāng)今節(jié)能、環(huán)保的要求，因此它是一種不僅能滿足今日需要，而且可以適應(yīng)未來發(fā)展需要的UPS。

3.4智能化UPS

　　在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信事業(yè)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，當(dāng)今的UPS已在大量引進(jìn)微處理監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一種智能化UPS。所謂“智能化UPS”是指能在UPS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間建立起雙向通信調(diào)控管理功能。它所主要完成的控制功能有：

　　在UPS的運(yùn)行中，當(dāng)出現(xiàn)長時(shí)間的市電供電故障或停電時(shí)，隨著市電故障的時(shí)間延長，UPS會(huì)利用上述通信通道向由它供電的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳送“因市電出故障UPS正由電池組供電”、“電池電壓偏低”等報(bào)警信號(hào)。當(dāng)電池組的端電壓下降到臨界放電電壓時(shí)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)會(huì)從UPS發(fā)出的“自動(dòng)關(guān)閉操作系統(tǒng)”命令的驅(qū)動(dòng)下，在自動(dòng)完成將程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入磁盤操作之后，再自動(dòng)“關(guān)閉操作系統(tǒng)”。這樣有序的關(guān)機(jī)操作，將確保用戶的軟件和數(shù)據(jù)的安全可靠。

　　用戶可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)上實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS的運(yùn)行。利用這種控制功能用戶可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上實(shí)時(shí)監(jiān)控UPS的運(yùn)行參數(shù)（例如：輸入、輸出的電壓、電流和頻率，UPS電池組的充電、放電和電壓值顯示，UPS的輸出功率及有關(guān)的故障、報(bào)警信息）。此外，用戶還可在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上對(duì)UPS的輸出執(zhí)行定時(shí)的自動(dòng)開機(jī)、自動(dòng)關(guān)機(jī)操作。

為實(shí)現(xiàn)上述控制功能，在目前市售的先進(jìn)的UPS上可向用戶提供RS232，DB9、RS485通信接口。對(duì)于要求能執(zhí)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)控管理功能的UPS來說，還應(yīng)配置簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP即SingleNetworkManagementProtocol）卡，才能配套運(yùn)行。

3.5蓄電池發(fā)展技術(shù)

　　蓄電池是UPS的心臟，不管UPS系統(tǒng)多么復(fù)雜，其性能最終取決于它的電池，只要電池失效，再好的UPS也無法提供后備電源。

　　目前，UPS一般使用鉛酸密封免維護(hù)蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術(shù)，克服了普通蓄電池需要定期補(bǔ)水的缺點(diǎn)，具有免維護(hù)、使用方便、不污染環(huán)境、重量輕和體積小等優(yōu)點(diǎn)。

　　蓄電池涉及到兩個(gè)方面的問題：如何監(jiān)視電池以精確地預(yù)測其臨界失效期和如何延長電池的有效壽命。解決這兩個(gè)問題需要UPS廠家和電池制造商的緊密合作。

　　一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續(xù)充電，電池連續(xù)充電大約要減少一半的使用壽命。

　　國外使用一種先進(jìn)的蓄電池管理系統(tǒng)（ABM），這種ABM不象目前大多數(shù)的UPS系統(tǒng)中的蓄電池連續(xù)充電，它只有在需要時(shí)才給蓄電池充電，減少蓄電池腐蝕，并延長蓄電池的壽命。測試結(jié)果表明ABM可以將蓄電池的壽命延長50％。

　　ABM在電源運(yùn)行時(shí)檢測蓄電池，就不會(huì)有因蓄電池故障而引起系統(tǒng)崩潰的危險(xiǎn)。同樣也能檢測出故障，并且提前給出警告，隨時(shí)記錄電池工作狀態(tài)，給出時(shí)間標(biāo)志。

　　蓄電池最終會(huì)耗盡，如何置換和處理舊電池？大多數(shù)制造廠采用帶電替換技術(shù)，即能在系統(tǒng)不停止工作的情況下拆卸現(xiàn)有的電池組并換上新的電池組。

4結(jié)論

　　電力是寶貴的資源，據(jù)美國環(huán)保局調(diào)查資料表明：個(gè)人計(jì)算機(jī)和外設(shè)用去了5％以上的生活用電量，而往往被人們所忽視的是計(jì)算機(jī)在開機(jī)之后，并非一直處于使用狀態(tài)，不少電能在無形中被白白浪費(fèi)了。

　　新一代不間斷電源──綠色UPS，除了小型網(wǎng)絡(luò)智能化以外，還可以節(jié)省電能，保護(hù)環(huán)境。其設(shè)計(jì)思想是在用戶規(guī)定的時(shí)間內(nèi)若檢測到鍵盤或鼠標(biāo)不在進(jìn)行操作，就將監(jiān)視器的電源關(guān)斷，當(dāng)開始移動(dòng)鼠標(biāo)或擊鍵時(shí)，監(jiān)視器馬上又可恢復(fù)電源。同樣，當(dāng)UPS檢測到打印機(jī)處于空閑狀態(tài)時(shí)，就關(guān)斷打印機(jī)電源，一旦出現(xiàn)打印機(jī)排隊(duì)請(qǐng)求時(shí)，又馬上恢復(fù)打印機(jī)電源。

　　UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高頻化、小型化、高效率，也延長了蓄電池的壽命；采用冗余技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了UPS的容量和可靠性，而網(wǎng)絡(luò)智能化UPS技術(shù)不僅提供完全可靠的網(wǎng)絡(luò)電源管理，也為節(jié)能提供了一種最佳的解決方案?？梢哉fUPS技術(shù)總的發(fā)展趨勢是逐步向小型網(wǎng)絡(luò)智能化和具有長延時(shí)方向發(fā)展，隨著科技進(jìn)步，UPS技術(shù)在不久的將來也將開辟一個(gè)更新的領(lǐng)域。