UPS的技术要求与发展趋势

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1、UPSUPS 的技术要求与发展趋势的技术要求与发展趋势杭州电源技术研究所 郭长林 刘军军 （杭州 310017）摘要：对我国 UPS 市场的现况、UPS 的技术要求与发展的趋势进行了论述。关键词：UPS 功率因数冗余式数字化智能化SpecificationSpecification andand DevelopmentDevelopment TendencyTendency ofof UPSUPS Abstract:The market of UPS in our country as well as specification and development tendency of UPS

2、are discussed. Keywords:UPS Power factor Redundance Digitalization Intelligence 1 引言研究表明，每台 PC 机平均每月受到雷击、浪涌、低压、噪音或断电等电源问题 的侵害多达 120 次，如果不能及时地解决这些问题，系统中的宝贵数据（或程 序）将有丢失的危险。对于军事装备的指挥系统，电网的不正常所造成的影响 将更加严重。由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统、航空管理和医用 诊断系统等精密仪器对交流供电系统都提出了不间断和可靠性的要求，使 UPS 在技术成熟程度、产品质量和销售量等方面都有了长足的发展。产品本身的

3、质量和技术性能只是产品的一个方面，如果没有相应的服务，其工 作就不是完整的，随着 UPS 在中国市场的普及，UPS 的服务与支持系统也不断 完善和发展，高可靠性的 UPS 系统加上完善的售后服务体系，将是满足广大 UPS 用户的根本保证。我国对 UPS 的需求量将大于西方，原因是：（1）计算机的普及和大量应用。（2）市电质量比西方国家差，电网供电不足、电压波动大、干扰严重是长时期 的问题。（3）现代化的进展，CAD/CAM 系统的应用已提到议事日程上来，对 UPS 的需求 将与日俱增。当前我国 UPS 市场，尤其是中大功率 UPS 产品，主要被国外的一些 UPS 生产厂 家所占领，其中包括美国

4、 APC 公司、瑞士 INVERTOMATIC 公司、美国 EXIDE 公司、 美国 SANTAK 公司、法国 MERLINGERIN 公司、日本 MITSUBISHI 公司、德国 SIEMENS 公司等品牌。而主要用于美国国防军工部门的美国 ELGAR 公司、美国 ETI 公司生产的用于军工防御领域的 UPS 还未进入我国市场。2UPS 的供电环境与对输入输出指标的要求2.1 与市电有关的技术指标UPS 必须能在当地市电条件下正常运行，并且不对市电产生不良影响。这方面 的性能指标包括：（1）允许市电电压的变化范围；（2）允许市电电压波形失真度；（3）允许市电的不平衡度（三相）；（4）允许市电

5、频率变化范围；（5）UPS 输入功率因数；（6）UPS 输入电流的谐波成份。上述的（1）、（2）、（3）、（4）项是要求 UPS 能适应市电的情况，（5）、 （6）项则表示 UPS 对市电影响的程度。2.2 满足负载要求的 UPS 常规输出指标UPS 要满足负载要求，改善供电质量，这些指标包括：(1)输出电压稳定精度；(2)输出电压波形失真度；(3)输出电压不平衡度；(4)输出电压频率稳定度；(5)市电掉电时的转换时间；(6)市电掉电后继续供电的维持时间；(7)抗干扰配置及抗干扰功能。2.3UPS 输出能力及可靠性对于使用者来说，要求 UPS 具有足够的输出能力及可靠性，否则就会影响 负载的运

6、行，甚至构成新的故障源。输出能力指标既是负载的要求，也直接反 映 UPS 的可靠性，实际上是可靠性的量化，这些指标包括：（1）运行效率；（2）输出电流峰值系数（周期性峰值负载）；（3）输出电流浪涌系数（非周期性峰值负载）；（4）输出过载能力；（5）输出功率因数；（6）冷起动能力；（7）平均无故障时间（MTBF）。2.4 智能管理及通信功能（1）自动检测、显示、报警以及运行参数的设置功能；（2）本地智能管理接口（串口 RS232 或者继电器触点接口）；（3）网络管理，专用电源监控软件，支持 SNMP 网管理，可支持的管理平 台及相应的认证；（4）网络通讯，支持基于 TCP/IP 之上的网络信息传

7、送；（5）基于公用网通讯，支持基于公用电话网的信息传送。2.5 对自然环境的适应能力（1）工业品 UPS 对自然环境的适应能力有五项指标：环境温度、环境湿度、 振动冲击、海拔高度及抗雷击的能力；（2）军用品 UPS 除以上指标外还要具有：防霉菌、防水、防腐蚀、防盐雾、防 辐射等功能。3UPS 的发展趋势3.1 优越的功率因数指标UPS 有两个功率因数：输入功率因数和输出功率因数，输入功率因数表示 UPS 对市电有功功率吸收的能力及对市电影响的程度，输出功率因数表示 UPS 适应负载性质的能力。（1）UPS 输入功率因数输入功率因数是一个重要指标。提高此项指标不仅可以降低线路损耗，节 约电能，消

8、除火灾隐患，还可以减少对市电的谐波污染，提高市电的供电质量， 获得较大的经济效益及社会效益。传统提高输入功率因数的方法为无源功率因 数校正技术，而现在发展为：单相市电输入的 UPS 采用有源功率因数校正技术， 三相市电输入的 UPS 采用 SPWM 高频整流来提高 UPS 输入功率因数。最理想的输 入功率因数是 1，表明输入电压和电流均为正弦波时其相位完全相同。（2）UPS 输出功率因数输出功率因数是适应不同性质负载的能力。就是说小功率因数包含有大功率因 数的特点，而大功率因数就办不了小功率因数的事。最理想的输出功率因数是 超前 0.0滞后 0.0,这时说明它可以带任何性质的负载。3.2 高可

9、靠性的“冗余式”UPS 供电系统对于某些重要的用户而言，他们要求 UPS 供电系统的故障率非常低，最好 其故障率为零。例如：银行的结算中心，航空管理系统，大规模集成电路流水 生产线等。就目前的 UPS 制造技术和工艺水平而言，已可使 UPS 的故障率大大 降低。例如：中、小型 UPS 平均无故障工作时间（MTBF）已做到 514 万小时， 对大型 UPS 而言，它的 MTBF 可达 24 万小时以上。然而，即使对于这样高质量 的系统，也不能确保它的故障率为零。在 UPS 中可采用具有容错功能的冗余配 置方案来解决这个问题。所谓“容错”特性，是指在整个 UPS 供电系统中，如 果因故造成个别机器

10、出故障时，该 UPS 供电系统自动将有故障的机器“脱机” 进行检修的同时，整个 UPS 供电系统必须继续向用户提供 22 高质量电源。由于 在冗余式 UPS 供电系统中，采用了多台 UPS 组合起来共同承担向负载供电的任 务，因此如何正确地解决好多台 UPS 输出的交流电源以同频率、同相位和同幅 度的方式运行是能否成功地实现多台 UPS 冗余供电的关键。就目前所掌握的资 料来看，有如下几种冗余配置方案可供用户选择：（1）主机从机型的“热备份”UPS 供电方式；（2）直接并联供电方式；（3）双总线冗余供电方式。3.3 全数字化 UPS传统 UPS 存在的问题：（1）输入输出变压器尺寸大；(2)用

11、于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大；(3)变压器和电感器产生的音频噪声较大；(4)对市电和负载变化的动态响应性能较差。功率 MOSFET 及 IGBT 的问世为 UPS 开拓出一条光辉灿烂之路，使 UPS 技术步入 崭新的时代全数字化时代。首先,UPS 的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变 压器,而采用 SPWM 技术实现整流高频化（AC/DC）。一方面减少直流侧滤波器尺 寸，改善直流侧调节性能,提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中 采用数字信号处理器 DSP（DigitalSignalProcessor）控制，使输入电流正弦 化，并与市电电压同相，从而实现 U

12、PS 高输入功率因数（PF1），消除对市电 的谐波“污染”，达到环保目的，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本。其次，取消了 UPS 逆变器中的工频变压器，用高频变压器来实现 UPS 与市电的 隔离，而 UPS 的输出级采用 SPWM 变换方式(不用变压器直接逆变)输出工频电压。 逆变器中的功率 MOSFET 或 IGBT 工作频率在 20kHz 以上，因此输出滤波器小而 简单，而且输出的正弦波非常光滑。对于 UPS 内部的蓄电池组采取高频变换降压方式（DC/DC）充电，当市电停 电，UPS 转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实 现。在逆变器控制电路中采用正弦波

13、直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传 统式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和 20kHz 以上的 SPWM 调制，使 UPS 动态响应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使 逆变器不仅具有较强的过载能力，允许 100负载不平衡（指三相逆变器）， 而且具有强有力的自身保护。也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器 输出变压器，不仅噪音低而且效率高。全数字化 UPS 是新一代 UPS，它除具有高质量、高可靠、高指标、多功能 等特点外，还符合当今节能、环保的要求，因此它是一种不仅能满足今日需要， 而且可以适应未来发展需要的 UPS。3.4 智能化 UPS在计算机网络及通

14、信事业迅猛发展的推动下，当今的 UPS 已在大量引进微 处理监控技术的基础上发展成为一种智能化 UPS。所谓“智能化 UPS”是指能在 UPS 和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。它所主要完成的控制功 能有：在 UPS 的运行中，当出现长时间的市电供电故障或停电时，随着市电故障 的时间延长，UPS 会利用上述通信通道向由它供电的计算机网络传送“因市电 出故障 UPS 正由电池组供电”、“电池电压偏低”等报警信号。当电池组的端 电压下降到临界放电电压时，计算机网络会从 UPS 发出的“自动关闭操作系统” 命令的驱动下，在自动完成将程序和数据转入磁盘操作之后，再自动“关闭操 作系统”。这样

15、有序的关机操作，将确保用户的软件和数据的安全可靠。用户可在计算机网络的各个结点上实时监控 UPS 的运行。利用这种控制功 能用户可在计算机网络终端上实时监控 UPS 的运行参数（例如：输入、输出的 电压、电流和频率，UPS 电池组的充电、放电和电压值显示，UPS 的输出功率及 有关的故障、报警信息）。此外，用户还可在计算机网络终端上对 UPS 的输出 执行定时的自动开机、自动关机操作。为实现上述控制功能，在目前市售的先进的 UPS 上可向用户提供 RS232，DB9、RS485 通信接口。对于要求能执行计算机网控管理功能的 UPS 来 说，还应配置简单网络管理协议（SNMP 即 SingleN

16、etworkManagementProtocol）卡，才能配套运行。3.5 蓄电池发展技术蓄电池是 UPS 的心脏，不管 UPS 系统多么复杂，其性能最终取决于它的电 池，只要电池失效，再好的 UPS 也无法提供后备电源。目前，UPS 一般使用铅酸密封免维护蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技 术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有免维护、使用方便、不污染 环境、重量轻和体积小等优点。蓄电池涉及到两个方面的问题：如何监视电池以精确地预测其临界失效期 和如何延长电池的有效寿命。解决这两个问题需要 UPS 厂家和电池制造商的紧 密合作。一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要 减少一半的使用寿命。国外使用一种先进的蓄电池管理系统（ABM），这种 ABM 不象目前大多数的 UPS 系统中的蓄电池连续充电，它只有在需要时才给蓄电池充电，减少蓄电池 腐蚀，并延长蓄电池的寿命。测试结果表明 ABM 可以将蓄电池的寿命延长 50。ABM 在电源运行时检测蓄电池，就不会有因蓄电池故障而引起系统崩溃的 危险。同样也能检测出故障，并且提前给出