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 数据中心中UPS电源技术详解
   
　　GB50052---1995《供配电系统设计规范》中的强制性条文规定："一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源。"柴油发电机组可以作为应急电源，但其反应速度太慢，要15，才能恢复供电，这与现代化的通信及网络信息数据流无法匹配。因此，工程中的一些重要部门和系统必须考虑不间断电源UPS供电。
　　1.交流不间断电源系统供电
　　在下列情况下应设计并采用交流不间断电源系统供电：
　　(1)对供电可靠性要求较高，采用备用电源自动投人方式或柴油发电机组应急自启动方式等仍不能满足要求时。
　　(2)一般稳压稳频设备不能满足要求时。
　　(3)需要保证顺序断电安全停机时。
　　(4)电子计算机系统实时控制时。
　　(5)电子计算机系统联网运行时。
　　计算机设备对电源要求质量较高，不仅要求采用不间断供电系统，而且要求电源电压波动在一定范围以内才能正常工作。网络数据传输设备要求电源电压的波动在±5%以内。
　　2.UPS的特性
　　UPS是一种高质量、高可靠性的独立电源，是一种蓄电池静止型不间断供电装置。它由整流器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组组成。平时，市电经整流器变为直流对蓄电池浮充电，同时经逆变器输出高质量的交流净化电源供重要负载，使其不受市电的电压、频率、谐波干扰。当市电因故停电时，系统自动切换到蓄电池组，蓄电池放电，经逆变器对重要负荷供电。
　　UPS的不间断特性体现在其"同步切换"工作程序上，当市电与逆变器进行切换时，其控制系统会适时地检测市电的同步范围，在市电不超限时，逆变器实现"先通后断"的供电，从而保证了供电系统的"无间断切换"。
　　市场上的UPS产品，其容量规格大致有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，并巳形成系列化产品。一般都经IS0g00l国际质量标准认证、UL安全标准及CE抗电磁干扰认证和标记。多数采用了PWM脉宽调频技术、PIGBT高效功率器件、微处理器主/从控制技术等，可双机或多机并联。具备电池测试维护、微机监控元人值守、可远程通信等功能;在机器构成上，元器件标准化、模块化、互换性好;有宽电压输入、高效率输出、过载能力强等优良性能。
　

（沈阳）大力神蓄电池官方网站　3.UPS的供电方式
　　UPS电源的工作方式根据用电设备对供电可靠性和连续性的要求可分为单一式、并联式、冗余式和并联冗余式等方式;根据用电设备对供电可靠性和管理方便的要求也可分为分散式、集中式、分散与集中相结合三种方式。分散式UPS供电采用的设备容量都比较小，支持时间较短，适合用于一些办公区和控制室;集中式UPS供电适合一些要求支持时间较长和较大型的计算机网络机房等。应当根据甲方需求来确定采用哪种UPS的供电方式和容量。集中设置的UPS电源容量的统计需由设计方与业主密切配合，并考虑所选UPS产品的转换效率。尤其是功率较大时，UPS转换效率非常重要，效率高就可节省初期投资和长期能源损耗的费用。
　　一般情况下，机房供电采用市电十UPS后备电池相结合的方式较多。正常情况下，市电通过UPS稳频稳压后给计算机设备供电，保证计算机设备的电能质量;当市电停电时，后备电池通过UPS逆变后给计算机设备供电，保证计算机设备的电源。市电与UPS后备电池间通过静电转换开关切换，确保计算机设备无瞬间断电。
　　UPS供电为集中方式时，还应充分考虑UPS机房的设备布置、馈线的铺设、主机柜的散热和整个机房的降噪措施等;对于分散式UPS供电，分散在各处的UPS容量都很小，上述问题可不予考虑。但是，UPS电源都应引自双电源末端互投配电柜(箱)的出线回路，不能从普通插座接引。
　　设计UPS供电方案时，针对分散在各处的重要控制室，在保证双电源末端自投的一级供电模式下，采用分散式小型UPS电源作为后备供电也很实用。
　　4.尽量避免过电流充电
　　过电流充电易造成电池内部的正负极板弯曲，使极板表面的活性物质脱落，造成电池可供使用容量下降，情况严重时会造成电池内部极板短路而损坏。
　　5.尽量避免蓄电池过电压充电
　　过电压充电往往会造成蓄电池电解液所含的水被电解分离成氢气和氧气而逸出，从而使电池使用寿命缩短。
　　6.更换活性下降、内阻过大的电池
　　(1)随着UPS电源使用时间的延长，总有部分电池的充放电特性会逐渐变坏，端电压明显下降，这种电池的性能不可能再依靠UPS电源内部的充电电路来解决，继续使用会存在隐患，应及时更换。
　　(2)由于蓄电池内阻增大，当用正常的充电电压对电池进行充电已不能使蓄电池恢复其充电特性时应及时更换。电池的内阻一般在10--30mn，如果电池的内阻超过200m巴则将不足以维持UPS的正常运行，对内阻偏大的电池必须更换。
　　7.避免新旧蓄电池混用或新旧电池混合充电
　　由于新电池的内阻都比较小，而旧电池的内阻都有不同程度的增大，当新旧电池混合在一起充电时，由于旧电池的内阻大，分压会相对偏大，极容易造成过电压充电现象;而对于新电池，内阻较小，充电电压小但电流偏大，又容易造成过电流现象，所以在充放电过程中应避免新旧电池混充。

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UPS输出隔离变压器的作用

　　能够取消输出隔离变器的理由何在?以往有的认为工频机的变压器具有抗干扰和缓冲负载突变的作用，好像这个变压器是为了这些目的专门为用户设计的。是不是这样呢?回答是否定的。首先，他把变压器当成了电抗器，岂不知电抗器和变压器有着本质的区别。再就是这个变压器是工频机不可分离的构成部分，而且作用也很简单，下面进行讨论。

　　(1)工频变压器的作用

　　UPS输出的有效值电压为220V，其正弦波交流电压的峰峰值电压是620V，而一般单相UPS的输入整流电压才310V(这还不包括一般为196V电池的情况)，为了使逆变器不失真地输出有效值为220V的正弦波交流电压，逆变器前面的直流电压必须是650V∼870V。由于工频机逆变器的输入电压远远低于这个值，所以必须加一个输出变压器将电压提升到额定峰值以上才可使用，如图3所示。图中所示为电池电压是192V的情况。在中小功率中，为了节约成本，一般都不将电池电压做得太高，所以输出隔离变压器一般为升压工作方式。图中虚线以左的部分为输入隔离变压器，现在已不作为标配。　

　　图3 输出隔离变压器的升压作用电原理图

　　(2)对零线的隔离作用

　　工频机UPS采用的是全桥变换器，如图4所示。这种变换器输出的不是一根火线和一根零线，而是两根火线。但一般的UPS负载要求必须具有零线，以便于接地，如果在没有输出隔离变压器的情况下，就将一根火线硬性接地，如图4(a)所示，就会导致UPS的工作失常。图中给出了在电压正弦波正半波时的电流流动方向和途径，负半波也是如此。从图中可以看出，由于零线的接入，使负载电流经过负载后不是经过整流器和逆变管，而是直接流回市电的零线输入端，在这种情况下，图中用虚线标出的一只整流器和一只逆变功率管就未起作用。按照正常的工作程序，负载电流应该流过两个桥式电路的各2只管子，如图4(c)所示，图4(d)是它的等效电路。由电路可以看出，当在输出端增加了隔离变压器后，就可以在变压器的次级(负载输入端)连接市电的零线，于是就构成了一个可靠的供电系统。

　　所以这个变压器是全桥电路不可分割的一部分。是为了解决上述困难的权宜之计，和其他没有必然关系。　

　　(a)无输出变压器正半波时的电流流动方向和途径　 　　(b)无输出变压器正半波时的等效电路　　 　　(c)有输出变压器正半波时的电流流动方向和途径　 　　(d)有输出隔离变压器时的正半波等效电路　　图4 工频机整流/逆变电流途径原理图

　　(3) 隔离变压器不能隔离干扰和缓冲负载

　　目前所有UPS的隔离变压器都是为了变压和隔离零线(或接地)的目的而接入的，并没有隔离干扰和缓冲负载突变的功能。图5给出了这种变压器的结构原理图。从图中可以看出，变压器的初级和次级之间都有绝缘层，他们就构成了一个一定容量的电容器C，电容器的容抗和频率是成反比关系的，即：　

　　图5 UPS变压器电原理图　(1) 　　式中：　　XC是变压器初次级间等效分布电容的容抗，单位是Ω;　　f是干扰信号的频率。单位是Hz;　　C是变压器初次级间等效分布电容量，单位为F。

　　从这个公式可以看出，频率越高，容抗就越小，也就是说干扰信号的频率越高，这个电容通路就越容易被穿过。由于一般干扰信号的频率是很高的，可以直接穿过变压器而长驱直入去干扰负载。若是较低频率的干扰到来，它就会按照变压器的变比按比例变换过去而干扰负载。正因为变压器并不抗干扰，所以几乎所有UPS都在输入和输出端加有输入/输出滤波器，如图6所示。　

　　图6 一般工频机UPS电源结构方框图

　　同样，该变压器也没有缓冲负载电流突然变化的能力。根据能量守恒定律，变压器初次级之间的能量传递是等量的，即：

　　U1I1=U2I2 (2)

　　比如当负载端短路时，次级电流I2就会趋向于无穷大，为了平衡负载端的变化，变压器初级电流I1也会趋向于无穷大。也许有人会说：变压器的漏感可阻止电流的突然变化，这一来是变压器的漏感很小，不足以阻止这种变化，另一方面，高频机的输出端照样串有小容量的电感，在这一点上二者是等效的，都起不了关键作用。为了弥补这个不足，所以在所有UPS的输出端都接有电流传感器，一旦出现过载或短路现象，就用停止逆变器工作的方法来保护。

　　另一方面，如果上述变压器具有抗干扰功能，那么这个变压器必须具备分辨有用信号和干扰信号的功能，比如图7示出了非线性负载工作时的电流波形图。非线性负载向UPS索取的工作电流大小是不定的，随机的，哪一个变压器能从图7的电流波形中分辨出有用和干扰电流呢?没有一个UPS输出变压器具有这种分辨能力，那么抗干扰之说也就没有根据了。　

　　图7 非线性负载工作电流图

　　(4) 高频机UPS真的没有变压器吗?

　　一般认为高频机没有变压器，这是一种误解。实际上在高频机UPS中也有变压器，比如UPS输出交流电压220V时的电压幅度峰峰值约620V，而UPS中的电池电压一般小功率采用的是192V、72V、48V或者更小。如果没有变压器又如何将这些低压升至620V呢!在人们的习惯中大都认为有线圈和铁心的才叫变压器，否则就不是变压器，这就有些片面了。比如在小功率高频UPS中的整流器和逆变器之间有一个Boost 升压电路，这就只电子变压器，凡是能将一个电压值变换为另一个电压值的装置都是变压器，只是人们还不习惯而已。不能以外形如何来定义，又比如电磁炉和微波炉哪一个外形也不像习惯上做饭的炉子;宇宙飞船既没有能飞的翅膀也不像船…，但对这些东西，人们已习惯了，也就叫开了。高频机UPS由于有了这个电子变压器又带来了很多好处：不但可以变压，而且还有输入功率因数校正功能，它可以将输入功率因数校正到接近于1，这是工频变压器所无法实现的;它的抗干扰功能也是工频变压器无法比拟的，这是因为普通电磁式变压器将输入的电压波形没有失真地传递到输出端，所以也将干扰一并送出。高频机的电子变压器则不然，如图8(a)所示的电路是将输入电压波形进行切割后储能送出：当整流正弦半波电压波形到来时，开关S闭合，电流经电感L和开关S和输入形成回路，如图中实线所示，此时能量储存在电感L中，开关S按照一定的频率开断与闭合，当开关断开后，储存在L中的能量沿虚线方向给二极管D后的电容和负载供电，而后再重复下一个同样的周期。其波形的关系如图8(b)和8(c)所示。从图中可以看出，电子变压器取能时，并不将其送出，而是以静态的形式储存，不取能时再将储存在电感中的能量送出。换言之，即使电网中有干扰，也会将动态干扰在储能过程中平复，就像波浪翻滚的河水流入水库后就会“偃旗息鼓”，平静下来，而由水库向外提供的水流则是平缓的。谁也不会相信电池向外提供的电流中会有干扰成分。　

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UPS电源的供电可靠性

　　UPS电源涉及电力电子和材料等学科，单机平均无故障时间的提高受制于相关学科理论和半导体材料的限制，现阶段难有突破，即UPS技术处于成熟阶段。UPS供电系统采用冗余技术是目前UPS系统提高可靠性的主要方式。

　　UPS的可靠性＝提高单机平均无故障时间＋冗余

　　单机平均无故障时间（MTBF)=20-25万小时

　　UPS冗余配电方案无非是1+1（塔式机）或N+X（模块机）。塔式机主要内置整流器、逆变器、静态开关及控制电路，模块机则由机架、UPS 功率模块、静态开关模块、显示通信模块以及电池组构成。塔式机多采用1+1冗余系统可靠性较低，而模块机可实现N+X冗余系统无单点故障瓶颈，所以模块UPS是可靠性的最佳选择。

塔式机

模块UPS

　　UPS电源的可扩展性

　　考虑负载是针对当前需求，可扩展性则是着眼未来。考虑到未来业务增长对系统的需求，如果想让自己的UPS系统的功率与实际需求一起增长，在UPS采购的时候，则需要着重考虑到UPS电源的可扩展性。通过分析，模块UPS效能的集成化特点可最大提高系统可靠性和可用性。

　　UPS电源的高效率要求

　　UPS实际效率的高低由带载量决定：负载50%时整机效率≤70% ，负载60%时整机效率≥80%
 

　　中国电信集团电源维护技术支撑中心对UPS效率测试结果

　　如果传统塔式机在1+1冗余下做1次冗余，每台设备带载将≤50%，但效率≤60% ，这已经是能耗比低的表现。而在正常运行下的模块机，可根据实际负载量来配置合理的电源容量，并留2至4个冗余功率模块，这无疑是既方便又高效。

　　UPS电源的可维护性

　　传统UPS的维护特点：

电路板级的维修 修复时间受人为因素影响较大 需专业工程师到现场 需在停电或旁路状态下维护

　　模块UPS维护特点：

模块级的维修，无需查找故障点 修复时间不受人为因素影响，可控性强 一般不需工程师到现场，可自主维护 无需转旁路、在线热插拔，不影响负载运行

（吉林）大力神蓄电池办事处

大力神蓄电池（LIBERTY电池）产品特点：
（1） 粗壮的极板使电池具有更长的寿命
（2） 阻燃的单向排气阀使电池安全且具有长寿命
（3） 持久耐用的聚丙烯（PP）电池槽盖
（4） 槽盖的热封黏结可以杜绝渗漏
（5） 吸附式玻璃纤维技术使气体复合效率高达99%，使电解液具有免维护功能
（6） UL的认证

产品型号及技术规格（General Specifications）：

各电池型号在1.75伏单体最终电压，77℉，25℃时之额定容量(Ah)
Ampere Hour Capacity At End Point 1.75V Per Cell @77℉(25℃)

 大力神蓄电池销售网址：www.dlsxdcdl.com