電子發燒友App
UPS的技術要求與發展趨勢
摘要：對我國UPS市場的現況、UPS的技術要求與發展的趨勢進行了論述。
Specification and Development Tendency of UPS
Abstract:The market of UPS in our country as well as specification and development tendency of UPS are discussed.
Keywords:UPS Power factor Redundance Digitalization Intelligence
1引言
研究表明，每臺PC機平均每月受到雷擊、浪涌、低壓、噪音或斷電等電源問題的侵害多達120次，如果不能及時地解決這些問題，系統中的寶貴數據（或程序）將有丟失的危險。對于軍事裝備的指揮系統，電網的不正常所造成的影響將更加嚴重。由于計算機、程控交換機、數據通訊處理系統、航空管理和醫用診斷系統等精密儀器對交流供電系統都提出了不間斷和可靠性的要求，使UPS在技術成熟程度、產品質量和銷售量等方面都有了長足的發展。
產品本身的質量和技術性能只是產品的一個方面，如果沒有相應的服務，其工作就不是完整的，隨著UPS在中國市場的普及，UPS的服務與支持系統也不斷完善和發展，高可靠性的UPS系統加上完善的售后服務體系，將是滿足廣大UPS用戶的根本保證。
我國對UPS的需求量將大于西方，原因是：
（1）計算機的普及和大量應用。
（2）市電質量比西方國家差，電網供電不足、電壓波動大、干擾嚴重是長時期的問題。
（3）現代化的進展，CAD/CAM系統的應用已提到議事日程上來，對UPS的需求將與日俱增。
當前我國UPS市場，尤其是中大功率UPS產品，主要被國外的一些UPS生產廠家所占領，其中包括美國APC公司、瑞士INVERTOMATIC公司、美國EXIDE公司、美國SANTAK公司、法國MERLINGERIN公司、日本MITSUBISHI公司、德國SIEMENS公司等品牌。而主要用于美國國防軍工部門的美國ELGAR公司、美國ETI公司生產的用于軍工防御領域的UPS還未進入我國市場。
2UPS的供電環境與對輸入輸出指標的要求
2.1與市電有關的技術指標
UPS必須能在當地市電條件下正常運行，并且不對市電產生不良影響。這方面的性能指標包括：
（1）允許市電電壓的變化范圍；
（2）允許市電電壓波形失真度；
（3）允許市電的不平衡度（三相）；
（4）允許市電頻率變化范圍；
（5）UPS輸入功率因數；
（6）UPS輸入電流的諧波成份。
上述的（1）、（2）、（3）、（4）項是要求UPS能適應市電的情況，（5）、（6）項則表示UPS對市電影響的程度。
2.2滿足負載要求的UPS常規輸出指標
UPS要滿足負載要求，改善供電質量，這些指標包括：
(1)輸出電壓穩定精度；
(2)輸出電壓波形失真度；
(3)輸出電壓不平衡度；
(4)輸出電壓頻率穩定度；
(5)市電掉電時的轉換時間；
(6)市電掉電后繼續供電的維持時間；
(7)抗干擾配置及抗干擾功能。
2.3UPS輸出能力及可靠性
對于使用者來說，要求UPS具有足夠的輸出能力及可靠性，否則就會影響負載的運行，甚至構成新的故障源。輸出能力指標既是負載的要求，也直接反映UPS的可靠性，實際上是可靠性的量化，這些指標包括：
（1）運行效率；
（2）輸出電流峰值系數（周期性峰值負載）；
（3）輸出電流浪涌系數（非周期性峰值負載）；
（4）輸出過載能力；
（5）輸出功率因數；
（6）冷起動能力；
（7）平均無故障時間（MTBF）。
2.4智能管理及通信功能
（1）自動檢測、顯示、報警以及運行參數的設置功能；
（2）本地智能管理接口（串口RS232或者繼電器觸點接口）；
（3）網絡管理，專用電源監控軟件，支持SNMP網管理，可支持的管理平臺及相應的認證；
（4）網絡通訊，支持基于TCP/IP之上的網絡信息傳送；
（5）基于公用網通訊，支持基于公用電話網的信息傳送。
2.5對自然環境的適應能力
（1）工業品UPS對自然環境的適應能力有五項指標：環境溫度、環境濕度、振動沖擊、海拔高度及抗雷擊的能力；
（2）軍用品UPS除以上指標外還要具有：防霉菌、防水、防腐蝕、防鹽霧、防輻射等功能。
3UPS的發展趨勢
3.1優越的功率因數指標
UPS有兩個功率因數：輸入功率因數和輸出功率因數，輸入功率因數表示UPS對市電有功功率吸收的能力及對市電影響的程度，輸出功率因數表示UPS適應負載性質的能力。
（1）UPS輸入功率因數
輸入功率因數是一個重要指標。提高此項指標不僅可以降低線路損耗，節約電能，消除火災隱患，還可以減少對市電的諧波污染，提高市電的供電質量，獲得較大的經濟效益及社會效益。傳統提高輸入功率因數的方法為無源功率因數校正技術，而現在發展為：單相市電輸入的UPS采用有源功率因數校正技術，三相市電輸入的UPS采用SPWM高頻整流來提高UPS輸入功率因數。最理想的輸入功率因數是1，表明輸入電壓和電流均為正弦波時其相位完全相同。
（2）UPS輸出功率因數
輸出功率因數是適應不同性質負載的能力。就是說小功率因數包含有大功率因數的特點，而大功率因數就辦不了小功率因數的事。最理想的輸出功率因數是超前0.0～滯后0.0,這時說明它可以帶任何性質的負載。
3.2高可靠性的“冗余式”UPS供電系統
對于某些重要的用戶而言，他們要求UPS供電系統的故障率非常低，最好其故障率為零。例如：銀行的結算中心，航空管理系統，大規模集成電路流水生產線等。就目前的UPS制造技術和工藝水平而言，已可使UPS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均無故障工作時間（MTBF）已做到5～14萬小時，對大型UPS而言，它的MTBF可達24萬小時以上。然而，即使對于這樣高質量的系統，也不能確保它的故障率為零。在UPS中可采用具有容錯功能的冗余配置方案來解決這個問題。所謂“容錯”特性，是指在整個UPS供電系統中，如果因故造成個別機器出故障時，該UPS供電系統自動將有故障的機器“脫機”進行檢修的同時，整個UPS供電系統必須繼續向用戶提供22高質量電源。由于在冗余式UPS供電系統中，采用了多臺UPS組合起來共同承擔向負載供電的任務，因此如何正確地解決好多臺UPS輸出的交流電源以同頻率、同相位和同幅度的方式運行是能否成功地實現多臺UPS冗余供電的關鍵。就目前所掌握的資料來看，有如下幾種冗余配置方案可供用戶選擇：
（1）主機－從機型的“熱備份”UPS供電方式；
（2）直接并聯供電方式；
（3）雙總線冗余供電方式。
3.3全數字化UPS
傳統UPS存在的問題：
（1）輸入輸出變壓器尺寸大；
(2)用于消除高次諧波的輸出濾波器尺寸大；
(4)對市電和負載變化的動態響應性能較差。
功率MOSFET及IGBT的問世為UPS開拓出一條光輝燦爛之路，使UPS技術步入嶄新的時代——全數字化時代。
首先,UPS的輸入部分取消了用于與市電隔離的工頻變壓器或為降壓用的自耦變壓器,而采用SPWM技術實現整流高頻化（AC/DC）。一方面減少直流側濾波器尺寸，改善直流側調節性能,提高市電電壓允許變化范圍；另一方面在控制技術中采用數字信號處理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制，使輸入電流正弦化，并與市電電壓同相，從而實現UPS高輸入功率因數（PF≈1），消除對市電的諧波“污染”，達到環保目的，大幅度減少無功損耗，明顯降低了運行成本。
其次，取消了UPS逆變器中的工頻變壓器，用高頻變壓器來實現UPS與市電的隔離，而UPS的輸出級采用SPWM變換方式(不用變壓器直接逆變)輸出工頻電壓。逆變器中的功率MOSFET或IGBT工作頻率在20kHz以上，因此輸出濾波器小而簡單，而且輸出的正弦波非常光滑。
對于UPS內部的蓄電池組采取高頻變換降壓方式（DC/DC）充電，當市電停電，UPS轉換為由蓄電池給逆變器供電時亦采取高頻變換降壓方式（DC/DC）實現。
在逆變器控制電路中采用正弦波直接反饋技術，使其調節高速化，遠遠優于傳統式模擬反饋技術，再加上小的輸出濾波器和20kHz以上的SPWM調制，使UPS動態響應特性非常好。在逆變器保護電路中采用性能優良的過流保護技術，使逆變器不僅具有較強的過載能力，允許100％負載不平衡（指三相逆變器），而且具有強有力的自身保護。也正是在上述條件保證下，拋棄了傳統式逆變器輸出變壓器，不僅噪音低而且效率高。
全數字化UPS是新一代UPS，它除具有高質量、高可靠、高指標、多功能等特點外，還符合當今節能、環保的要求，因此它是一種不僅能滿足今日需要，而且可以適應未來發展需要的UPS。
3.4智能化UPS
在計算機網絡及通信事業迅猛發展的推動下，當今的UPS已在大量引進微處理監控技術的基礎上發展成為一種智能化UPS。所謂“智能化UPS”是指能在UPS和計算機網絡之間建立起雙向通信調控管理功能。它所主要完成的控制功能有：
在UPS的運行中，當出現長時間的市電供電故障或停電時，隨著市電故障的時間延長，UPS會利用上述通信通道向由它供電的計算機網絡傳送“因市電出故障UPS正由電池組供電”、“電池電壓偏低”等報警信號。當電池組的端電壓下降到臨界放電電壓時，計算機網絡會從UPS發出的“自動關閉操作系統”命令的驅動下，在自動完成將程序和數據轉入磁盤操作之后，再自動“關閉操作系統”。這樣有序的關機操作，將確保用戶的軟件和數據的安全可靠。
用戶可在計算機網絡的各個結點上實時監控UPS的運行。利用這種控制功能用戶可在計算機網絡終端上實時監控UPS的運行參數（例如：輸入、輸出的電壓、電流和頻率，UPS電池組的充電、放電和電壓值顯示，UPS的輸出功率及有關的故障、報警信息）。此外，用戶還可在計算機網絡終端上對UPS的輸出執行定時的自動開機、自動關機操作。
為實現上述控制功能，在目前市售的先進的UPS上可向用戶提供RS232，DB9、RS485通信接口。對于要求能執行計算機網控管理功能的UPS來說，還應配置簡單網絡管理協議（SNMP即SingleNetworkManagementProtocol）卡，才能配套運行。
3.5蓄電池發展技術
蓄電池是UPS的心臟，不管UPS系統多么復雜，其性能最終取決于它的電池，只要電池失效，再好的UPS也無法提供后備電源。
目前，UPS一般使用鉛酸密封免維護蓄電池，由于采用陰極吸收式密封技術，克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有免維護、使用方便、不污染環境、重量輕和體積小等優點。
蓄電池涉及到兩個方面的問題：如何監視電池以精確地預測其臨界失效期和如何延長電池的有效壽命。解決這兩個問題需要UPS廠家和電池制造商的緊密合作。
一般情況下，影響電池性能的主要因素是連續充電，電池連續充電大約要減少一半的使用壽命。
國外使用一種先進的蓄電池管理系統（ABM），這種ABM不象目前大多數的UPS系統中的蓄電池連續充電，它只有在需要時才給蓄電池充電，減少蓄電池腐蝕，并延長蓄電池的壽命。測試結果表明ABM可以將蓄電池的壽命延長50％。
ABM在電源運行時檢測蓄電池，就不會有因蓄電池故障而引起系統崩潰的危險。同樣也能檢測出故障，并且提前給出警告，隨時記錄電池工作狀態，給出時間標志。
蓄電池最終會耗盡，如何置換和處理舊電池？大多數制造廠采用帶電替換技術，即能在系統不停止工作的情況下拆卸現有的電池組并換上新的電池組。
4結論
電力是寶貴的資源，據美國環保局調查資料表明：個人計算機和外設用去了5％以上的生活用電量，而往往被人們所忽視的是計算機在開機之后，并非一直處于使用狀態，不少電能在無形中被白白浪費了。
新一代不間斷電源──綠色UPS，除了小型網絡智能化以外，還可以節省電能，保護環境。其設計思想是在用戶規定的時間內若檢測到鍵盤或鼠標不在進行操作，就將監視器的電源關斷，當開始移動鼠標或擊鍵時，監視器馬上又可恢復電源。同樣，當UPS檢測到打印機處于空閑狀態時，就關斷打印機電源，一旦出現打印機排隊請求時，又馬上恢復打印機電源。
UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高頻化、小型化、高效率，也延長了蓄電池的壽命；采用冗余技術，進一步增強了UPS的容量和可靠性，而網絡智能化UPS技術不僅提供完全可靠的網絡電源管理，也為節能提供了一種最佳的解決方案。可以說UPS技術總的發展趨勢是逐步向小型網絡智能化和具有長延時方向發展，隨著科技進步，UPS技術在不久的將來也將開辟一個更新的領域。
工商網監
評論