UPS電源技術

日生電子

本文將先介紹一下UPS的相關基本知識，然后再分析三種提高UPS供電可靠性的系統技術方案
一、不間斷電源UPS的基本知識
1.UPS的基本概念
UPS是由整流器、逆變器、電池和控制電路等組成，能在有限時間里提供純凈、穩定波形的電源設備。
UPS具有以下功能：
①電網電壓正常時，除了輸出純凈、穩定且連續不間斷的交流電源外，還可以對電池進行充電，儲存后備能量。
②在電網異常時(欠壓、過壓、掉電、干擾等)利用電池組的能量對用電設備提供不間斷的交流輸出，“不間斷”一般指輸出電壓波形為零的時間不大于10ms。
因而，UPS可以保證計算機等信息設備即使是在惡劣的電網條件下也能安全正常運行。




2.UPS的分類及主要特點
從UPS技術特點來看，UPS的分類一般以輸出逆變器工作方式來區分，通常可分為后備式、在線式兩大類型。近年來也有將后備式電源中的一個特例獨立出來，稱之為在線互動式，但嚴格來說，仍然是后備式一類。
從近年來UPS的廣泛使用情況看，UPS也從原先的戶內使用逐步向全天候應用環境的方向發展，出現了室內UPS和室外UPS的差別。戶外UPS 主要在對環境溫度的適應性、防潮濕、防水、防盜等方面做了一個全面的質量提升，保證了UPS在各種戶外嚴酷的環境條件下正常工作。
以下仍然從UPS的電路拓撲結構的角度來闡述一下UPS的分類和技術特點。
(1)在線式UPS：
A、輸出電壓穩定性好 ±3%
B、波形失真度小THD<3%
C、零中斷
D、輸入、輸出能量形式全隔離



圖5、在線式UPS原理
(2)后備式UPS：
A、電網正常時的整機效率高>95%
B、電網正常時無噪音
C、切換時間<10ms
D、價格較低
(3)互動式 UPS：具備與后備式電源相同的特點，并且將充電器和逆變器有效合并成為一體雙
向逆變器，雖然減少了系統的成本，但增加了一定的控制難度。
二、三種提高UPS電源供電可靠性的解決方案
從上面的原理框圖可以得知，UPS本身已經具備了雙路的電源供電備份，具備較高的系統可靠性，可以滿足一般信息設備對電源可靠性的要求。但是隨著近年來信息數據幾何倍數的快速增長和高度重要性，在某些特別重要的場合，例如省級以上的銀行數據中心、通信數據中心、證券交易等用電環境，單一的UPS供電已經無法滿足客戶對電源可靠性的要求了，必須有更好的電源供電方案來確保這些重要數據及網絡的安全。
以下介紹三種在工程應用中可以十分有效提高可靠性的方法：串聯備份供電方式、輸出主從備份方式、冗余并聯備份供電方式。上述三種供電方案的改進將以數量級的效果提高電源系統的可靠度，成倍地提高系統的MTBF值，在工程應用中基本上可以達到真正意義上的零電源故障。因此，用戶在進行高可靠供電系統設計時，可以根據負載的供電要求選擇合適的高可靠供電方案。
1. 串聯備份供電方式(旁路主從備份方式)：


如上圖所示，對于在線式工作模式的兩臺UPS，備機(UPS2)的輸出作為主機(UPS1)的旁路備份輸入，這樣當主機的主逆變器輸出故障轉到旁路時，負載仍然處于備機UPS雙備份供電模式的可靠保護下。
2、輸出主從備份方式



如上圖所示，以在線式UPS為例，兩臺UPS或逆變器的輸出同時送到冗余轉換器，經冗余轉換器再給負載供電;正常時冗余轉換器讓主輸入的電源 (例如UPS1)對負載供電，當主輸入電源故障時冗余轉換器快速將負載轉移到備份輸入的電源上，完成負載的冗余供電;在主輸入電源維修完成再輸入到冗余轉換器后，冗余轉換器又將負載重新轉移回到由主輸入電源供電的模式。任何的轉換過程都是不間斷的，可以保證負載設備的穩定安全運行。
3、冗余并聯供電方式



如上圖所示，兩臺UPS的輸出同時送到并聯配電柜上進行直接的并聯，共同均分負載電流，不存在主從關系。當某臺UPS出現故障時，該機將自動退出并聯系統，負載電流100%由剩余的一臺UPS供電，輸出不間斷;在故障機維修完成后，可以將修復的UPS單元在線并入，繼續對負載進行冗余供電，完成并聯系統的在線熱維護。
三、三種提高可靠性方案的比較
比較項目串聯備份供電方式輸出主從備份方式冗余并聯供電
可靠性一般高高
主從邏輯關系有，且不易調換，需要廠家才可完成有，容易調換，用戶即可完成取決于并聯控制方式;可能有，不能調換。
負載切換時間10ms5ms0ms
相互通信不需不需有線并機時需要;無線并機調試時需要，工作后可以取消
增容性沒有增容沒有增容可依比例增容
系統過載能力不變不變短時過載能力比例增加;尤其是對于沖擊負載的啟動能力加強。
產品老化程度存在主從機老化不一致的情況存在主從機老化不一致的情況不存在
負載均分性100%不均分100%不均分均分，一般電流不均衡度小于5%
電池壽命一般需要定期對換電池一般需要定期對換電池或主機，確保電池的壽命不需對換。
可維護性差，一般要停機維護好，可以在線熱維護好，可以在線熱維護。
備份模式一般是1+1形式，再增加時沒有實際的意義一般是1+1或1+2形式可以N+m形式，比較靈活
系統成本低一般高
適用場合負載3-10KVA 負載0.5-3KVA 負載10KVA以上
不間斷電源UPS是數字化建設的可靠電源解決方案，通過不同的UPS供電方案的設計可以將交流供電系統的可靠性提高到一個新的層次，滿足數字化建設對交流電源質量的任何要求。
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