UPS技術(shù)性能及可靠性研究

梁思思

摘 要：人們對計算機信息和數(shù)據(jù)的重視度日益提高，計算機能否安全運行與供電電源的好壞有密切的聯(lián)系。因此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等中心設(shè)備機房對供電系統(tǒng)的要求也隨之不斷提高。UPS是針對電源可靠性所研制的電源，對其工作原理進行了簡要的描述，并探究了其技術(shù)性能和可靠性。

關(guān)鍵詞：UPS電源；技術(shù)性能；可靠性；DSP技術(shù)

中圖分類號：TN86 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.093

UPS也被稱為“不間斷電源”，是一種將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的系統(tǒng)設(shè)備，常用于單臺計算機、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或一些電子電力設(shè)施中，為它們穩(wěn)定且不間斷地供應(yīng)電力。通常，UPS能對電壓過高或者過低提供保護，保證負載軟、硬件不會受到損壞。儲能電池可以給負載供電，對提高供電質(zhì)量具有重要作用。因此，對UPS技術(shù)性能和可靠性進行研究具有一定的現(xiàn)實意義。

1 UPS的組成和工作原理

1.1 UPS的組成

UPS由電源輸入電路、整流器、變換器、儲能設(shè)備和開關(guān)這幾部分構(gòu)成。其中，輸入電路包括主路、旁路、電池等；整流器用來滿足系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能；AC/DC變換器通過自耦變壓器、全波整流、濾波等將交流電變?yōu)橹绷麟?，供給逆變電路。

1.2 UPS的類型及其工作原理

UPS有三種類型，即在線式、后備式和在線互動式。這里主要對在線式和后備式UPS進行簡要介紹。

在線式UPS具有解決尖峰、浪涌、頻率漂移等優(yōu)勢。如果市電的供應(yīng)中斷，電池組將通過逆變電路變成220 V、50 Hz的交流電輸出，并且充電器用輸出的直流電給電池充電，從而使輸出電源不間斷得到保證，對電源起到更好的保護作用。在線式UPS因其優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心或大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。而后備式UPS常被應(yīng)用于日常生活中，通過旁路開關(guān)直接輸出。只有在市電斷電時，電池組經(jīng)過逆變電路逆變成交流電輸出，特別適合對單臺PC或工作站進行保護。

2 UPS涉及的技術(shù)及其性能

2.1 IGBT和PIGBT

逆變功率器件采用的是IGBT（一種絕緣柵雙極性晶體管）。IGBT是由雙極型三極管（BJT）和絕緣柵型場效應(yīng)管（MOS）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它綜合了這兩者的優(yōu)點，具有驅(qū)動力小、飽和壓低的特點，可以降低逆變器的換流損耗。與IGBT相比，高效數(shù)字器件PIGBT的性能和可靠性有了很大的改進，提高了逆變器的可靠性和處理速度，逆變效率更高，可以達到98%～99%，而且熱功耗很低，諧波分量小于1.5%，動態(tài)響應(yīng)更好，使得輸出的波形更好，對負載或接地系統(tǒng)等幾乎不會造成干擾。

2.2 DSP技術(shù)和SMD電氣集成模塊

UPS通過硬件系統(tǒng)和微機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行采集，用這些信號實現(xiàn)UPS的控制、調(diào)整、檢測和保護。DSP技術(shù)的處理速度較快，是傳統(tǒng)微處理器的12倍，同時簡化了硬件線路，提高了UPS的可靠性，具有更強的瞬態(tài)反應(yīng)能力。采用仿真技術(shù)、表面安裝焊接技術(shù)的電路板使整機散熱性更好，可靠性更高。

2.3 電池的保護功能

安全防護電池包括很多種，具有充放電實時監(jiān)控、過流和限流保護功能，防止用戶因過度充放電而對電池造成傷害；欠壓預(yù)警可以使用戶在較為關(guān)鍵的時刻作出處理；對電池設(shè)定定期自檢的功能，將系統(tǒng)故障信息反饋給用戶，引導(dǎo)用戶在電池使用過程中以在線更換電池的形式應(yīng)對相應(yīng)故障問題，避免因電池故障造成損失。

在發(fā)揮電池保護功能的基礎(chǔ)上，為了避免出現(xiàn)不規(guī)范使用問題，相關(guān)技術(shù)人員在設(shè)備操控過程中逐步加強了對DSP技術(shù)、SMD技術(shù)的應(yīng)用，從而可以有效應(yīng)對傳統(tǒng)模擬控制環(huán)境下的多種問題，達到最佳的電池使用狀態(tài)。

2.4 靈活、可靠的并聯(lián)技術(shù)

為了使并機中的環(huán)流受到更有效的抑制，常常采用數(shù)字模塊式環(huán)路直接并聯(lián)技術(shù)。該技術(shù)能夠在保持UPS不斷電的情況下實現(xiàn)并機擴容或維修，使不同功率的UPS直接并聯(lián)。

2.5 控制和診斷軟件

控制軟件不僅具有信號采集的功能，還具有對運行狀態(tài)的自動監(jiān)測、調(diào)整和管理功能。智能化的UPS應(yīng)該要有專家系統(tǒng)故障診斷軟件，以便當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能對故障進行診斷、推理，判斷故障的位置和性質(zhì)，然后顯示給操作者或維修工程師，便于更快速地修復(fù)，并自動存儲記錄信息。

3 UPS可靠性的研究及提高方法

為了使電源供電的可靠性得到提高，保證重要設(shè)備的正常工作，常常用兩臺或者兩臺以上的單機構(gòu)成雙機或者多機的UPS系統(tǒng)。這樣，即使單臺UPS發(fā)生故障，UPS系統(tǒng)也不會中斷供電。同時，也可外設(shè)旁路切換裝置，避免因逆變器故障而造成UPS供電中止。

3.1 外設(shè)旁路切換裝置

逆變器一旦發(fā)生故障，旁路交流電源就利用接觸器和靜態(tài)開關(guān)自行切換，同時帶負荷運行，保證UPS可以持續(xù)供電。為使旁路電源穩(wěn)定工作，旁路電源采用兩個回路供電，采用主電源和輔電源相結(jié)合的方式。只有在主電源正常時，才可自動切換回主電源運行。STS也被稱為“靜態(tài)切換開關(guān)”，是一種電源二選一自動切換系統(tǒng)，能夠不間斷地在不同輸入電源間來回切換，為單電源負載提供雙母線供電。

UPS主供電回路和旁路電源依靠接觸器、靜態(tài)切換開關(guān)實現(xiàn)其功能。如果主供電回路出現(xiàn)故障，就需要轉(zhuǎn)換到旁路電源。此時，要將旁路電源側(cè)的靜態(tài)開關(guān)閉合，保證主、旁電源同時處于工作狀態(tài)，然后將主回路側(cè)的接觸器切斷，在閉合旁路側(cè)接觸器的同時斷開旁路側(cè)靜態(tài)開關(guān)，使旁路電源供電。

3.2 采取恰當(dāng)?shù)姆绞竭B接

3.2.1 初級并聯(lián)方式

這種并聯(lián)方式是兩臺UPS共用一組靜態(tài)旁路開關(guān)，同時增設(shè)了并聯(lián)柜來調(diào)控負載電流，進一步實現(xiàn)并聯(lián)。要保證UPS切換的一致性，就要用同組靜態(tài)開關(guān)取代原來各電源上的靜態(tài)開關(guān)。與單個電源和串聯(lián)熱備份的方式相比，這種方式雖然使UPS可靠性得到了很大的提高，但是依然存在一定的缺陷，比如對于非線性負載，容易引發(fā)逆變器燒損；一旦靜態(tài)開關(guān)自身出現(xiàn)問題，整個供電系統(tǒng)的輸出便會出現(xiàn)異常。

3.2.2 高級并聯(lián)方式

高級并聯(lián)方式主要采用的是冗余式并聯(lián)方式，負載分配很均勻，設(shè)備的利用率很高。整個系統(tǒng)要依靠導(dǎo)航UPS輸出脈沖。一旦導(dǎo)航UPS停止工作，下級的UPS會自動成為導(dǎo)航器；上級的UPS恢復(fù)穩(wěn)定后，將繼續(xù)控制其他UPS；如果系統(tǒng)中非導(dǎo)航的UPS發(fā)生故障，那么將自行退出。采用此連接方式能夠保證整個環(huán)路中的UPS由同一臺UPS控制，使得不同的UPS的輸出動態(tài)特性和參量的同步性有了很大提高，并且解決了初級并聯(lián)中較難解決的內(nèi)部環(huán)流問題和靜態(tài)旁路開關(guān)的一致性等問題。

3.2.3 日常的檢查和維護

需要對UPS主機進行定期的除塵和防塵操作，同時對連接插件的接觸情況進行檢查，并做好記錄。

4 結(jié)束語

供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量、穩(wěn)定性和效率與UPS工作的可靠性有十分緊密的聯(lián)系。因此，相關(guān)研究和技術(shù)人員需要從UPS的技術(shù)性能出發(fā)，加強其可靠性研究，尋求提高UPS工作可靠性的改善措施，從而提高其運行水平。

參考文獻

[1]石磊.UPS電源技術(shù)及發(fā)展[J].電氣開關(guān)，2009，47（1）：8-10.

[2]呂燕春.UPS電源技術(shù)性能及可靠性的研究[J].鐵路計算機應(yīng)用，1998（1）：29-31.

[3]廖振華.UPS電源系統(tǒng)可靠性分析[J].電氣技術(shù)，2007（S1）：155-157.

[4]李新華，賈銀軍.提高UPS電源可靠性的研究[J].硅谷，2011（16）：82.

[5]鄺宇，袁瑜霞.針對UPS電源可靠性的相關(guān)研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（16）：122.

[6]寇英剛，姜兵，葉剛，等.雙電源自動切換裝置及UPS、EPS裝置在電力保障中的應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理，2011（02）：60-61.

〔編輯：劉曉芳〕