大功率通信用在線式不間斷電源（UPS）測(cè)試技術(shù)研究與交流

［楊建華、鄭泉、賈立鵬］

大功率通信用在線式不間斷電源（UPS）測(cè)試技術(shù)研究與交流

［楊建華、鄭泉、賈立鵬］

通過(guò)不間斷電源（UPS）產(chǎn)品參數(shù)指標(biāo)的測(cè)試，對(duì)采用不同整流器技術(shù)的幾種不間斷電源（UPS）產(chǎn)品，在技術(shù)參數(shù)、指標(biāo)性能方面，進(jìn)行比較、分析和探討。提出工頻整流器與高頻整流器、一體化機(jī)與模塊化UPS，各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文為生產(chǎn)和研發(fā)不間斷電源（UPS），提供技術(shù)參考和幫助。

不間斷電源（UPS）整流器 逆變器 功率因數(shù)校正器（PFC）測(cè)試

楊建華

廣東省科學(xué)技術(shù)研究院，高級(jí)工程師，1988年至今，在電信研究院工作，主要研究方向?yàn)橥ㄐ烹娫串a(chǎn)品認(rèn)證測(cè)試、測(cè)試技術(shù)研究。

鄭泉

東華理工大學(xué)，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，本科學(xué)士，在廣東省電信科學(xué)技術(shù)研究院艾特實(shí)驗(yàn)室，從事通信電源產(chǎn)品的認(rèn)證測(cè)試工作。

賈立鵬

東華理工大學(xué)，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，本科學(xué)士，在廣東省電信科學(xué)技術(shù)研究院艾特實(shí)驗(yàn)室，從事通信電源產(chǎn)品的認(rèn)證測(cè)試工作。

1 不間斷電源（UPS）原理介紹

UPS的中文意思為“不間斷電源”，是英文“Uninterruptible Power Supply”的縮寫(xiě)。從基本應(yīng)用原理上講，UPS是一種含有儲(chǔ)能的裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。主要有一個(gè)整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等幾部分組成。

從功能上講，不間斷電源（UPS）在市電出現(xiàn)異常時(shí)，可以有效地凈化市電；在市電突然中斷時(shí)，可以持續(xù)一段時(shí)間給通信設(shè)備供電，使得有充裕的時(shí)間應(yīng)付維修供電設(shè)施。

1.1 通信用在線式不間斷電源（UPS）原理結(jié)構(gòu)

UPS按工作原理，可分為后備式、在線式、互動(dòng)式三大類。

上述三類UPS產(chǎn)品，在線式UPS應(yīng)用范圍廣，技術(shù)性能完善、穩(wěn)定性等，都優(yōu)越于其他兩個(gè)，能解決所有UPS電源問(wèn)題，能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈的正弦波交流電，能夠解決尖峰、浪涌、頻率漂移等全部的電源問(wèn)題。

其中，在線式UPS性能優(yōu)點(diǎn)突顯，在通信領(lǐng)域中，得到廣泛使用。

圖1 通信用在線式UPS原理結(jié)構(gòu)圖

1.2一體化不間斷電源與模塊化不間斷電源的區(qū)別

從不間斷電源（UPS）的結(jié)構(gòu)形式，可分為一體化不間斷電源和模塊化不間斷電源。

通信用一體化UPS測(cè)試執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是YD/ T1095-2008《通信用不間斷電源-UPS》；模塊化UPS測(cè)試執(zhí)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是YD/T2165-2010《通信用模塊化不間斷電源》。

隨著不間斷電源（UPS）技術(shù)的發(fā)展，不間斷電源（UPS）的容量越做越大，從以前的幾kVA，到目前的200 kVA、300 kVA、400 kVA、500 kVA，甚至更大容量的不間斷電源（UPS），在通信領(lǐng)域上應(yīng)用。

2 大功率通信用在線式不間斷電源（UPS）測(cè)試環(huán)境的搭建

2.1不間斷電源（UPS）測(cè)試連接電路圖

圖2 測(cè)試連接電路框圖

建設(shè)一個(gè)專業(yè)化強(qiáng)的電源檢驗(yàn)測(cè)試室，必須有良好散熱的測(cè)試場(chǎng)地，足夠大的市電供電能力，完善地電能回收系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室擁有齊全的、專業(yè)的測(cè)試用儀表設(shè)備等手段。

2.2 通信用在線式不間斷電源（UPS）產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)要求、測(cè)試所涉及儀表設(shè)備

表1 按YD/T1095-2008標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)要求及測(cè)試用儀表設(shè)備一覽表

表2 按照YD/T2165-2010標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵指標(biāo)要求及測(cè)試用儀表設(shè)備一覽表

3 大功率通信用在線式不間斷電源（UPS）關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試、數(shù)據(jù)分析

影響UPS產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，在于采用的整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)的技術(shù)和其他關(guān)鍵器件的質(zhì)量。目前，UPS產(chǎn)品采用的整流器有6位脈沖、12位脈沖的工頻整流器和IGBT整流器（高頻整流器）。

影響UPS輸入端技術(shù)參數(shù)的因素，主要是整流器和濾波器。其中，6脈沖、12脈沖的整流器，即SCR（晶閘管）整流器，為相控調(diào)制，輸入功率因素較低，輸入電流畸變較大。而IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）整流器可以通過(guò)控制其門(mén)極的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)閉，開(kāi)關(guān)頻率高。通過(guò)調(diào)制，IGBT整流器可以保持輸入電流與電壓相位一致，且輸入電流波形接近于正弦波，具有非常高的輸入功率因數(shù)和非常低的輸入電流諧波畸變。

3.1輸入功率因數(shù)測(cè)試

輸入功率因數(shù)定義公式：

功率因數(shù)（PF），輸入有功功率（P），電壓真有效值（URMS），電流真有效值（IRMS）。

在帶上額定非線性負(fù)載時(shí)，6脈沖整流器的UPS輸入功因，普遍指標(biāo)在0.80～0.90范圍；12脈沖整流器的UPS輸入功因，普遍指標(biāo)在0.90～0.95范圍；IGBT整流器的UPS輸入功因，指標(biāo)可達(dá)到0.95～0.99范圍。

模塊化的UPS，采用集成化高的IGBT整流技術(shù)，產(chǎn)品的輸入功率因數(shù)，指標(biāo)都達(dá)到0.95以上。YD/T2165-2010標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求：在100%非線性負(fù)載時(shí)的輸入功率因數(shù)應(yīng)大于等于0.99，在50%非線性負(fù)載時(shí)的輸入功率因數(shù)應(yīng)大于等于0.95。

表3 大功率UPS的輸入功率因數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.2輸入諧波測(cè)試（電壓和電流諧波）

總諧波失真（THD）定義公式，可選擇下列兩種計(jì)算方法。

按IEC，公式如下：

按CSA，公式如下：

上兩式中，C1：基波（1次諧波）有效值。

Ck：k次諧波有效值；k：諧波次數(shù)；n：最大諧波次數(shù)，n=50。

輸入電流諧波產(chǎn)生的原因，6脈沖整流器的諧波，為5、7、9、11、。。。、6k±1各次諧波的總和；12脈沖整流器的諧波，為11、13、15、17、。。。、12k±1各次諧波的總和；所以，12脈沖整流器的輸入諧波，要比6脈沖整流器的小很多。采用IGBT整流技術(shù)的輸入諧波，比上述二者都小。

表4 大功率UPS輸入諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表5 大功率UPS輸入諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（帶輸入濾波器）

諧波總含量：6脈沖整流器+5次濾波諧波總含量：≤20%；12脈沖整流器+11次濾波諧波總含量：≤15%；IGBT整流器諧波總含量：≤10%。

3.3 輸出波形失真（輸出電壓諧波）

定義公式，跟輸入諧波一樣。只是測(cè)量端口放在輸出端。

如圖3所示，是用日本HIOKI公司，型號(hào)3196 電能質(zhì)量分析儀，測(cè)量200kVA容量的UPS，測(cè)量數(shù)據(jù)。三相電壓，U1的輸出電壓諧波（THD）2.7%，U2的輸出電壓諧波（THD）2.8%，U3的輸出電壓諧波（THD）2.7%。

圖3 輸出波形失真測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 輸出穩(wěn)壓精度

輸出穩(wěn)壓精度定義公式：

公式中，ua（b）為調(diào)節(jié)輸入電壓上限（或下限）時(shí)，測(cè)量出的輸出電壓；

u0為UPS的額定輸出電壓。

影響UPS輸出穩(wěn)壓的因素，主要是源效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)。合格的UPS，輸出穩(wěn)壓精度幾乎都可達(dá)到≤±1%。

3.5輸出電流峰值系數(shù)比

電流峰值系數(shù)比定義公式：

Icf為輸出電流峰值系數(shù)比，IMax為輸出電流峰值，波峰和波谷中較大的一個(gè)，IRms為輸出電流有效值。

輸出電流峰值系數(shù)比考核UPS的帶載能力。輸出電流峰值系數(shù)比值越大，UPS帶載能力越強(qiáng)，耐負(fù)載波動(dòng)性的能力越強(qiáng)。

圖4是輸出電流峰值系數(shù)比的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從C 4波形看出，輸出電流的有效值（Rms）306.507A，峰值（Max）920A。輸出電流峰值系數(shù)比達(dá)標(biāo)（大于3:1）。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，如果沒(méi)有大功率的、標(biāo)準(zhǔn)的非線性負(fù)載，容性與阻性比例不匹配的負(fù)載，輸出功率因數(shù)很難達(dá)到0.8。從而，影響電流峰值系數(shù)比測(cè)量的數(shù)值。

圖4 輸出電流峰值系數(shù)比測(cè)試

3.6動(dòng)態(tài)電壓瞬變范圍

在下列兩種情況下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓瞬變范圍測(cè)試。第一種情況，UPS在正常工作方式時(shí)，輸出接阻性負(fù)載，用斷路器或接觸器使輸出電流由零突加至額定值，再由額定值突減至零。用存儲(chǔ)示波器分別測(cè)量?jī)纱坞娏魍蛔儠r(shí)的輸出電壓的瞬變值，與輸出電壓額定值之比；第二種情況，UPS在正常工作方式時(shí)，輸出接阻性負(fù)載，用存儲(chǔ)示波器分別測(cè)量UPS正常工作方式與電池逆變方式相互轉(zhuǎn)換時(shí)輸出電壓的瞬變值，與輸出電壓額定值之比。

圖5是用斷路器使輸出電流由零突加至額定值，再由額定值突減至零。用存儲(chǔ)示波器分別測(cè)量?jī)纱坞娏魍蛔儠r(shí)的輸出電壓的瞬變值，與輸出電壓額定值之比。動(dòng)態(tài)電壓瞬變范圍測(cè)量結(jié)果優(yōu)于1.3%。

圖5 動(dòng)態(tài)電壓瞬變范圍的測(cè)試

3.7切換時(shí)間

逆變轉(zhuǎn)旁路的切換時(shí)間，模塊化UPS的切換時(shí)間，普遍能達(dá)到＜1 ms；工頻UPS的切換時(shí)間，能在≤3 ms范圍內(nèi)。標(biāo)準(zhǔn)要求≤4 ms范圍內(nèi)。

圖6，300 kVA工頻UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)試數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.9 ms。

圖6 逆變轉(zhuǎn)旁路的切換時(shí)間測(cè)試

3.8噪音

UPS功率越大，散熱風(fēng)扇的噪聲就越大。噪音小，UPS的能效比高，才能滿足環(huán)保要求。測(cè)試結(jié)果顯示，1 kVA～10 kVA 的工頻UPS噪聲在50 dB（A）以下；10 kVA～100 kVA 的工頻UPS噪聲在55 dB（A）以下；200 kVA～400 kVA 的工頻UPS噪聲在65 dB（A）以下。相比之下，高頻機(jī)和模塊化UPS，同等容量對(duì)應(yīng)的噪聲，比工頻UPS的小。

3.9效率

UPS效率定義公式：

η為UPS效率，Pin為UPS輸入有功功率，Po為UPS輸出有功功率。

舉例：一臺(tái)容量400kAV的在線式UPS（采用工頻整流技術(shù)的），用日本HIOKI公司的型號(hào)3196 電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)：（1）100%阻性負(fù)載下，Pin=395.2 kW，Po=360 kW，算出UPS效率為91.1%；（2）50%阻性負(fù)載下，Pin=198.9 kW，Po=180 kW，算出UPS效率為90.5%。

另一臺(tái)容量500 kAV的在線式UPS（采用高頻整流技術(shù)的），用日本HIOKI公司的型號(hào)3196 電能質(zhì)量分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)：（1）100%阻性負(fù)載下，Pin=421.9 kW，Po=400 kW，算出UPS效率為94.8%；（2）50%阻性負(fù)載下，Pin=209.9 kW，Po=200 kW，算出UPS效率為95.3%。

高頻在線式UPS的效率，普遍比工頻在線式UPS的效率高。

4 功率因數(shù)校正器（PFC）介紹

前面提過(guò)，UPS輸入端采用有效的濾波技術(shù)，可以降低輸入諧波含量。

PFC（Power Factor Corrector），是功率因數(shù)校正器。它可以在交流轉(zhuǎn)換為直流時(shí)提高電源對(duì)市電的利用率，減小轉(zhuǎn)換過(guò)程的電能損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。此外，PFC還能減少電源對(duì)市電電網(wǎng)的干擾，尤其是避免它在突然啟動(dòng)時(shí)對(duì)其他電器的影響。

大功率UPS，采用主動(dòng)式PFC。主動(dòng)式PFC電路，由電感線圈配合IC控制芯片組成。PFC電路可以提高UPS的功率因數(shù)（高達(dá)0.99）；優(yōu)良的電路設(shè)計(jì)，PFC能適應(yīng)更高的輸入電壓范圍。PFC可以使電流電壓實(shí)現(xiàn)同相位，從而，提高輸入功率因數(shù)，減少電流諧波分量。

圖7 PFC控制電路

5 小結(jié)

通信用在線式UPS，從工頻整流技術(shù)，發(fā)展到高頻整流技術(shù)，產(chǎn)品技術(shù)不斷地改革和提升。工頻UPS特點(diǎn)，帶載適應(yīng)性強(qiáng)，適用于各種不同情況的負(fù)載；缺點(diǎn)，效率不高（能效比不高）。高頻UPS特點(diǎn)，采用集成電路技術(shù)，體積小、能效高，維護(hù)方便，適用于現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)處理中心和大型服務(wù)器的供電。

隨著整流、逆變技術(shù)的不斷提高，UPS越來(lái)越多采用有功率因數(shù)校正的IGBT整流、IGBT逆變功率組件，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)DSP（Digital Signal Processing）應(yīng)用到UPS里。從而，使得UPS產(chǎn)品越來(lái)越臻至完美。目前，很多技術(shù)含量高的UPS的關(guān)鍵器件，例如集成化程度高的IGBT和PFC（功率因數(shù)校正器）器件，主要在技術(shù)發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家研制生產(chǎn)。

1IEC 61850-2：術(shù)語(yǔ)

2申忠如、郭福田、丁暉，《電氣測(cè)量技術(shù)》，科學(xué)出版社，2003年1月1日

3YD/T1095-2008《通信用不間斷電源-UPS》

4YD/T2165-2010《通信用模塊化不間斷電源》

5楊建華，電源模塊輸出效率測(cè)量不確定度評(píng)估，廣東通信技術(shù)，2010年01期

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.018

（2016-10-12）