摘 要 :计算机的日益普及 ,使对各种信息及数据的重视程度逐步升温 ,因此 ,对供电系统的要 求也越来越高 。不间断电源 (UPS) ,不仅在断电时可以延续供电时间 ,而且提高供电 系统的供电质量 (指在线式 UPS) 。UPS电源正在许多重要的领域 ,如邮电 、金融 、电力 、铁路系统中广泛地使用 。尤其在使用大中型计算机的系统中 , UPS电源已经成为 不可缺少的设备之一 。这里对UPS电源的工作原理做一个简介 ,并对 UPS的技术和可靠性进行分析 。
关键词 : UPS电源 ;技术性能 ;可靠性 ;分析
1 U PS电源工作原理
UPS电源按输出波形可分为方波输出和正 弦波输出两大类。按其操作方式可分为后备式 和在线式。其中后备式 UPS电源 ,在市电正常 供电时 ,由市电直接向负载提供电源。当市电 供电中断 ,蓄电池才对逆变器供电 ,并由 UPS的 逆变器对负载提供交流电源 。即 UPS电源的 逆变器总是处于对负载提供后备供电状态 。而 对在线式的 UPS电源来说 ,它平时是由交流电→整流 →逆变器方式对负载提供交流电源 ,一 旦市电中断时 , UPS改由蓄电池 →逆变器方式 对载提供电源。只有当蓄电池放电至终了电 压时 ,由控制电路发出信号去控制自动切换开关 ,转换成由另一路交流旁路的市电供电 。市 电恢复供电后 , UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。因此 ,在线式 UPS电源在正常情况下 ,总是由 UPS电源的逆变器对负载供电 , 这就避免了所有由市电电网带来的任何电源波 动及干扰对负载供电所产生的影响 。显然 ,它 的供电质量明显优于后备式 UPS电源。在线 式可以实现对负载的稳压、稳频供电。然而 ,后 备式 UPS电源由于运行效率高 ,噪音低 ,价格相对便宜。
2 U PS采用的先进技术
211 采用绝缘栅双极型晶体管 ( IGB T) , 作 为逆变功率器件
大大降低逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗 ,因此 ,逆变器的效率提高 ,整机效率可 达 94% ～96% ; 由于 IGB T的开关频率在 20～50KHz,明显提高了逆变器的性能 ,使输出电压 谐波含量大为减少 ; IGB T用于电压控制器 ,驱
动电路简单 ,同时它有正方形的开关安全工作 区 ,并有高的峰值电流容量 ,使逆变器可靠性进 一步增加 ; 由于 IGB T逆变器的高频化 ,减小输 出交流滤波器的尺寸 ,也相应减小了损耗 ,使整 机体积小 ,噪音低 ; 高可靠 ,长寿命 。
212 微处理器数字化控制
控制系统采用先进的计算机数字控制技
术及模拟量计算机控制技术 ,即通过主 /协结构完成系统控制 ; 系统由整流 /充电器 、逆变器 、静态开关 3 个协处理器单元和一个模拟量计算机单元承担其所有的数据采集 ,模拟 运算功能调整等工作 ,然后送到主处理器进 行集中控制 ,综合处理 ,记录存档和显示最终处理信息 。借助这种计算机高速数据处理技术 ,充分发挥其系统硬件和软件特 点 , 提高UPS实时控制 、保护和监测能力 。
213 控制实施通道
目前 UPS的硬件系统基本上是由整流器、 逆变器 、静态开关三大部分加上微机系统所组成 ,其数据采集是通过极为精确的霍尔器件 ,以 及最新高速 A /D 转换器 ,将模拟信号转换成数 字形式 ,最终纳入协处理器和主处理器通道。 根据 UPS功能和用户需要 ,这些信号将用来实现 UPS控制 ,调整 ,监测和保护之目的 。分布在 UPS三大部分的霍尔传感器采 集两类信号 : 开关信号 ———主要反应各部件 开关操作 ,保险开关操作 ,热继电器等的工作 状态 ;模拟信号 ———反映输入 、输出 、电压 、电 流 、频率以及充电电压 、电流等参数 。
214 高速数据处理结构
U PS控制系统中 ,采用计算机高速数据 处理的主 /协结构 ,增加数据采样点及数字控 制诊断软件 ,高速 A /D、D /A 转换设计 。UPS 运行异常往往反映在各主要波形异变上 ,因此 ,对于各点取样的模拟信息必须先进行 A / D 转换 ,驱动执行机构完成最终控制 。
215 控制和诊断软件
控制软件实现各类信号的采集 ,处理运行状态的自动监测 、调整以及管理功能 。诊断软件是故障诊断的专家系统 。UPS 出现异常后 ,该系统能迅速对故障进行诊断 , 推理 , 判明故障部件 , 通过显示器 (或灯光 , 声音 ) 报告给使用者 , 以便维修 。同时 自动记录信息 ,生成信息档案 。
216 电池自动测试与维护系统
蓄电池是 UPS 的 贮能 装置 。由于 电池故障引起 UPS系统故障的比例较高 ,所以对 蓄电池的测试 及 故障 诊断 , 显 得尤 为重 要 。电池测试维护软件定期自动检测电池性能参
数 ,为使电池处于良好的工作状态 ,每隔一定 周期 中 断 UPS 交 流 输 入 , 使 电 池 组 带 载 放电 ,激活惰性 ,保持电池组原有容量 。在电池放电时 ,自动检测电池后备容量和电压 ,显示
屏显 示 检 测 参 数 , 当 电 池 组 容 量 下 降 10 %
时 ,自动结束测试 ,以免过放电 。若测得电池 电压高于或等于最佳值时 , 则显示“电池正常 ”;反之 ,则显示“电池故障 ”,并有声 、光报警 ,后备时间可能减少 。
3 提高 UPS可靠性的几种方法
通常用两台或两台以上的单机 ,构成双机或多机UPS 系 统 , 提 高 电 源 供 电 的 可 靠 性 ,使在单台 UPS发生故障的同时 , 不会发生 UPS中断供电的情况 。下面几种连接方 式 ,是目前常见的几种 :
311 主 /从串联热备方式
早期一般采用这种方式 ,它的特点是连 接成本较低 ,技术简单 ,双机冗余提高了UPS 电源供电系统的可靠性 ,但存在一些弱点 :
( 1 ) UPS 本身发生故障时 , 可能 无 法切换而造成输出中断 。
当 UPS内部电源板或电源模块发生故障时 , UPS会立即停止工作 ,输出中断。此时, UPS 也不可能再从静态开关转向旁路 。这种情况发
生在主 UPS机上 ,这时既使 UPS是好的也无济 于事 ,整个计算机系统的供电将被中断.UPS控制电路出现问题时 ,逆变器烧毁 瞬时 (此时不满足切换条件 )及一些其它原因 , 也可能会出现静态开关打不开而造成中断。
( 2 )切换瞬时输出出现间断UPS为保证输出波形连续 ,采用先合后断 技术 ,即旁路通过静态开关与逆变器输出有一 叠加过程 ,以保证输出无间断 ,但这两路电压 必须满足频率 ,相位 ,电压幅值完全一致 ,否则 ,将有可能造成切换过程中输出的不连续 。 频率正常的情况下 ,主UPS的负载一般 为感性负载 。从UPS为空载 ,而在电网频率 偏离UPS跟踪频率范围时, UPS将启动自身晶体振荡器 , 由于两台UPS为独立系统 , 无法进行“锁 相 ”跟 踪 , 如 在 此 时 发 生 切 换 过 程 ,输出波形将会有更大输出间断时间 。特别在主UPS逆变器发生故障 , 强行切换时 , 由于无法进行正常跟踪 ,将有可能出现较大的间断间时 ,甚至切换失败 。
( 3 )在供电系统中, 增加了两个公共故障点一旦主UPS静态开关出现故障 ,此时又 要求切换则会造成负载供电中断。发生过载时,主从UPS将依次转旁路 ,这时UPS的静态开关如出现问题 ,也将造成输出中断 。
( 4 )设备使用效率低在整个供电过程中 ,始终有一台UPS长期闲置不用 , 使用效率低 , 并且备份UPS的电池长期处于浮充状态下 ,电池无法放电 ,电池寿命大大缩短 。可以增加一个主 、从转换 装置 ,定期将主机与从机进行转换 ,对主从机 的电池轮流充放电 ,解决此问题 。但是在主 从转换过程中 ,从机处于空载运行状态 ,一旦出现切换过程 ,负载量将从 0 突变到 100 %,整流器和逆变器将受到大电流冲击 ,易于损坏 ,影响正常输出 ,甚至断电 。
( 5 )维修困难
当主机发生故障 ,切换到从机供电时 ,用户 负载不能停机 ,无法关闭UPS进行维修 。一旦从机出现故障 ,会造成整个供电系统中断 。
312 初级式并联
初级并 联方式是几台 (一般两台 ) UPS 共用一组静态旁路开关 ,同时增加并联柜以平衡负载电流方式实现并联 。
由于一般 UPS控制系统多为模拟反馈电 路 ,其输出参数及特性随温度 、元件参数及器 件的老化而漂移 ,同时由于各 UPS一致性较差 ,故这种类型的 UPS无法直接并联 。为了 提高供电系统可靠性 ,需要将 UPS并联使用时 ,为确保各并联 UPS之间输出参量的一致 性 ,达到同步运行的目的 ,要增加一个并联柜 , 即在原基础上增加一些检测环节 。同时为达 到并联 UPS切换的一致性 ,必须将原有的各 静态线路开关拆除 ,共用一组静态开关 。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可 靠性等方面有较大的提高 ,但存在以下弱点 : 由于这种方式仅有一组静态开关 ,没有冗余备份 ,当静态开关本身出现问题时 ,整个供电系统就不能够正常输出 ,造成输出中断 ; 当平衡检测环节 (即并联柜 )出现故障时 ,各UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁 ; 当负载为非线性负载 ,尤其是波峰因数较差的计算机 或电机等负载时 ,因各UPS内部反馈系统参 量瞬间调整 ,彼比互相没有关联而造成UPS动态一致性较差 ,因此会短时出现很大的环 流 ,有可能造成逆变器的烧毁 。
313 高级并联方式
此种方法无任何独立部件 , 全部并联冗余 ,实现了真正并联 ,且在此系统中无需任何额外附加并联柜 ,可靠性极高 ,是目前并联技术的发展趋势 。由于采用冗余式并联 ,负载分配均匀 ,设备利用率很高 。 高级并联工作方式 ,是由并联通讯板实现的 ,工作方式相当于计算机的并行工作原理 。其中一台主机为导航 UPS,假设为 1#机 。整个 并联系统由导航 UPS发出脉冲控制所有并联的 UPS工作 (最多可并联 6台 ) ,这时各 UPS相应器件相当于并联工作。当导航 UPS (1#机 )出 现故障或未开机时 , 2#机自动升为导航机 ,控制 其它 UPS,在 1 #机恢复正常后 ,又由其进行控制。而当其它 UPS出现故障时 ,自动退出 。这 种连接方式优点是所有 UPS均由一台UPS控制信号所控制 ,这样既可保证各 UPS间输出参 量及动态特性完全一致 ,又彻底解决了初级并 联不可避免的内部环流问题 ,以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。 由于这种并联通讯工作方式具有连接简单 ,可靠性高 ,动态性好等优点 , 已开始被广泛采用 。但是此并联方法对 UPS 自身技术 要求较高 ,有些 UPS很难采用这种技术 。
4 结语
以上介 绍 了UPS 的 技 术 性 能 , 分析了UPS的可靠性 , 目的在于掌握UPS 的技术 , 更可靠地使用 UPS电源 ,确保供电系统连续 不间断地提供高质量的电源 。 |
