實(shí)現(xiàn)UPS高可靠性的技術(shù)措施

Technical Measures to Realize High－ reliability of UPS

1引言

　　產(chǎn)品長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性，所有用戶都是非常關(guān)心的。眾所周知，可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。尤其是UPS這類特殊產(chǎn)品，作為電腦系統(tǒng)的“保鏢”、“心臟”，其可靠性更顯得重要，也是一些特殊用戶極為關(guān)注的。

　　產(chǎn)品可靠性的內(nèi)容包括固有可靠性及使用可靠性兩個(gè)方面。固有可靠性是指產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造整個(gè)過(guò)程所確定的內(nèi)在可靠性，它是產(chǎn)品的固有屬性；使用可靠性是指產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中的人為因素及環(huán)境因素（包括安裝技巧、維護(hù)技術(shù)、環(huán)境狀況、操作人員素質(zhì)等）對(duì)產(chǎn)品的壽命及功能發(fā)揮產(chǎn)生的重大影響。

　　產(chǎn)品可靠性的數(shù)量指標(biāo)有：可靠性、失效率、平均壽命、有效壽命、維修度、有效度、重要度等。對(duì)于UPS這類可修復(fù)的產(chǎn)品，我們常用平均無(wú)故障時(shí)間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）和平均維修時(shí)間MTTR來(lái)表示。MTBF越大越好，不同品牌UPS有不同的MTBF，現(xiàn)有單機(jī)的MTBF從10萬(wàn)小時(shí)到330萬(wàn)小時(shí)，因此UPS的可靠性指標(biāo)是有很大差別的。還有一點(diǎn)需特別指出：是逆變器輸出的MTBF還是加有旁路系統(tǒng)（BYPASS）的MTBF？這是有很大區(qū)別的。據(jù)有關(guān)資料介紹，兩者相差約15倍。例如，加有旁路系統(tǒng)UPS的MTBF為20萬(wàn)小時(shí)，那么僅逆變器輸出的MTBF約1.4萬(wàn)小時(shí)，因此用戶應(yīng)了解MTBF的含義，避免誤導(dǎo)。另一方面，MTTR數(shù)值越小越好。對(duì)于單機(jī)運(yùn)行的UPS來(lái)說(shuō)，當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)轉(zhuǎn)換至市電旁路供電，雖然是不間斷供電，但此時(shí)負(fù)載是由市電供電，其市電質(zhì)量如何卻無(wú)法保證，因此需要迅速修復(fù)逆變器，保證負(fù)載由逆變器供電，但修復(fù)時(shí)間是由售后服務(wù)響應(yīng)時(shí)間和現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間決定的。售后服務(wù)響應(yīng)時(shí)間，對(duì)不同的代理商可以有很大的區(qū)別；現(xiàn)場(chǎng)維修時(shí)間一般為1至幾小時(shí)之間。如果缺乏維修備件或技術(shù)不熟練，MTTR將會(huì)延長(zhǎng)。

　　分析UPS的可靠性，必須從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)及使用等過(guò)程中去討論。

2UPS關(guān)鍵功率器件IGBT/IPM

　　UPS基本原理是AC/DC及DC/AC兩個(gè)變換，其變換的核心功率器件，M－UPS（注M—外國(guó)某公司代號(hào)）從60年代的可控硅（SCR）、70年代的達(dá)林頓晶體管（GTR）、80年代的場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）到90年代的智能化的絕緣柵雙極型三極管（NEWIGBT，IPM），其實(shí)M－UPS的發(fā)展歷史，就是功率器件發(fā)展的歷史，功率器件的優(yōu)劣，直接決定UPS質(zhì)量的高低。

　　目前M－UPS是采用第三代IGBTA級(jí)IPM，它是世界第一品牌的功率器件。該器件模塊內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路及短路、過(guò)流、過(guò)溫、控制電源失效等保護(hù)，具有高功率、高速開關(guān)、低驅(qū)動(dòng)功率、低運(yùn)行功耗等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)由于是M公司自己獨(dú)立開發(fā)生產(chǎn)，對(duì)其器件的物理參數(shù)及其性能特點(diǎn)掌握非常清楚，因而在電路設(shè)計(jì)上能更好匹配，發(fā)揮其更大的功效，并帶來(lái)較高的可靠性。

3電路設(shè)計(jì)的全數(shù)字化和集成化

　　（1）M－UPS不僅DC/AC采用數(shù)字化，而且AC/DC也采用高頻PWM數(shù)字化技術(shù)，因而M－UPS從AC→DC→AC全過(guò)程皆為數(shù)字化，變換、控制、反饋、測(cè)量、顯示、通訊等均采用新穎的數(shù)字技術(shù)。

　　（2）M－UPS采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制技術(shù)。由于32位數(shù)字器件的出現(xiàn)以及達(dá)到10ns的運(yùn)算速度，因而獲得了極其精確和快速的控制能力。

　　（3）M－UPSAC→DC及DC→AC分別單獨(dú)采用DSP控制，而且輸入部分與輸出部分的系統(tǒng)控制也由DSP控制，它們組成一個(gè)非常完善的負(fù)反饋系統(tǒng)，不管輸入端市電如何變化及輸出端負(fù)載如何變化，都能使UPS保持穩(wěn)定可靠工作。

　　（4）M－UPS采用大規(guī)模的半導(dǎo)體專用集成電路（ASIC,ApplicationSpecifiedIG,DSP）所構(gòu)成的直接數(shù)字控制DDC（DirectDigitalControl），有別于其他品牌UPS所采用的較落后的微機(jī)控制技術(shù)，因而使M－UPS控制更準(zhǔn)確、更精密、更可靠。

　　（5）M－UPS采用電壓反饋、電流前饋、電流局部循環(huán)等專利技術(shù)及采用DSP控制方式，使其UPS在100％非線性負(fù)載滿負(fù)荷時(shí)，輸出電壓波形的失真度仍非常小，明顯優(yōu)于其他品牌只采用電壓反饋的UPS。

　　（6）全數(shù)字化的設(shè)計(jì)，使M－UPS具有非常良好

附表M－UPS檢測(cè)結(jié)果

的自我診斷功能，能迅速排除故障的征兆，從而提高可靠性。

　　（7）大幅度減少零件數(shù)量，從而大大降低了故障發(fā)生率，提高了UPS的可靠性。

　　M－UPS也曾用過(guò)“六脈沖整流”，“十二脈沖整流”的傳統(tǒng)電路，當(dāng)研制出新型功率器件（NEWIGBT＆PIM）后便迅速把AC→DC的變換從模擬方式變?yōu)閿?shù)字方式，從而使M－UPS擺脫傳統(tǒng)的、落后的技術(shù)，而一躍成為世界著名品牌的UPS。

　　M－UPS制造商的概念是采用最現(xiàn)代技術(shù)，使其UPS獲得高性能和高可靠性。全面質(zhì)量管理（TQC循環(huán)）就是UPS產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、售后服務(wù)三個(gè)環(huán)節(jié)上不斷循環(huán)，以求用戶滿意。

4優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)

　　用戶對(duì)UPS不外乎要求優(yōu)異的技術(shù)指標(biāo)和高可靠性。M－UPS具有下述優(yōu)異技術(shù)指標(biāo)：

　　（1）高輸入功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)實(shí)測(cè)為0.999。這不僅具有減少電網(wǎng)污染及市電無(wú)功損耗的環(huán)保與節(jié)能雙重功能，而且還能以1：1的功率比來(lái)配備自備發(fā)電機(jī)，而其他品牌UPS則可能需要2～2.5倍發(fā)電機(jī)功率的配置，這無(wú)形提高了M－UPS與自備發(fā)電機(jī)匹配運(yùn)行的可靠性。

　　另外，由于高輸入功率因數(shù)，不僅可減少UPS配電設(shè)備（變壓器、斷路器、電纜、進(jìn)相電容等）的容量，減少投資，而且更重要的是提高了系統(tǒng)（包括輸入配電）運(yùn)行的可靠性。

　　（2）寬輸入電壓范圍。輸入電壓允許范圍為＋15％～－30％，在中大功率UPS當(dāng)中還未見到另一品牌UPS經(jīng)過(guò)權(quán)威單位檢測(cè)達(dá)到此指標(biāo)，如附表所示。

　　當(dāng)市電超出輸入電壓范圍時(shí)，將起動(dòng)電池供電，長(zhǎng)期如此，將大大降低蓄電池的使用壽命，不但增加UPS運(yùn)行成本，而且最重要的是當(dāng)需要電池供電時(shí)，電池可能已“過(guò)放”造成停電事故，降低了UPS系統(tǒng)

運(yùn)行的可靠性。

　　（3）低直流總線（BUS）波紋系數(shù)。“六脈沖整流”是低頻（50Hz）工作，而AC→DC變換器是高頻(8～10kHz)PWM變換，因此直流濾波電容將大大減少。“六脈沖整流”為了降低直流BUS紋波，常采用數(shù)十只大容量電容并聯(lián)，為了降低成本常選用電解電容，但電解電容在長(zhǎng)期工作后常發(fā)生電解液干涸及漏電嚴(yán)重的現(xiàn)象。這些都是引起UPS不可靠工作的常見原因。M－UPS由于采用“高頻整流”，因而濾波電容容量可降至電解電容的1/10，因此電容故障率可大為降低。

　　（4）低輸出諧波失真。在100％的非線性負(fù)載下，輸出電壓波形失真度為：THD≤3％，而其他品牌一般為THD≤5％。從百分?jǐn)?shù)看起來(lái)相差不大，但這是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程，降低THD1％～2％，需要采取多方面電路設(shè)計(jì)措施。如果沒(méi)有全數(shù)字化技術(shù)，沒(méi)有雙DSP控制是很難達(dá)到此指標(biāo)的。眾所周知，UPS大部分故障是由于非線性負(fù)載瞬間變化的沖擊造成的，M－UPS對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)能力是很強(qiáng)的，故可靠性是很高的。

　　（5）混合型晶閘管開關(guān)。M－UPS從逆變器輸出切換至旁路是采用可關(guān)斷晶閘管（GTO）的靜態(tài)開關(guān)與電流接觸器并聯(lián)方式，既滿足了高速切換，而GTO器件又可以采取自冷方式，因此UPS體積小，而且提高了效率及可靠性。

　　（6）市電輸入具有軟起動(dòng)功能。當(dāng)輸入交流電源恢復(fù)時(shí)，由于M－UPS設(shè)計(jì)有軟起動(dòng)功能，使輸入電流緩慢上升，減少了UPS對(duì)輸入電源的沖擊，無(wú)論是由市電或自備發(fā)電機(jī)供電，都有利于提高轉(zhuǎn)換的可靠性。

　　（7）逆變器輸出端無(wú)晶閘管靜態(tài)開關(guān)。M－UPS由IGBT/IPM功率器件組成的逆變器能夠抑制瞬時(shí)大電流沖擊，無(wú)需在UPS逆變器輸出端接上其他品牌UPS都必須接入的晶閘管靜態(tài)開關(guān)，此技術(shù)使M－UPS獲得更高的效率和更高的可靠性。

　　（8）交流和直流功率分配功能。當(dāng)UPS由自備發(fā)電機(jī)供電時(shí)，而自備發(fā)電機(jī)容量又不足，則UPS可以將輸入容量限制在自備發(fā)電機(jī)的最大輸出容量，不足部分則可由蓄電池供給，這樣可以提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　（9）三相獨(dú)立控制功能。M－UPS采用三相獨(dú)立，瞬時(shí)波形控制，輸出端可適用于單相或三相負(fù)載，同樣可以提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

　　（10）非線性負(fù)載適應(yīng)功能。M－UPS由于采用數(shù)字化及快速反饋技術(shù)，負(fù)載波峰因數(shù)比CF=3.6，對(duì)于100％非線性負(fù)載從空載（0％）到滿載（100％）跳變，輸出端電壓的變動(dòng)也極其微小，從而大大提高其適應(yīng)任何負(fù)載運(yùn)行的可靠性。

5高超的冗余并機(jī)技術(shù)

　　大功率UPS雖然可靠性提高，但由于使用環(huán)境的突然變化（如市電電壓超出范圍、負(fù)載瞬間故障）、運(yùn)行人員的錯(cuò)誤操作、UPS本身零件的老化、個(gè)別元器件早期失效等因素都會(huì)導(dǎo)致UPS發(fā)生故障，對(duì)諸如金融、航空、醫(yī)療、郵電、交通、國(guó)防等系統(tǒng)要求供電質(zhì)量很高的負(fù)載，還必須進(jìn)一步提高UPS的可靠性。

　　近年來(lái)世界上發(fā)展了多種方法來(lái)擴(kuò)展大功率UPS系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間，其中冗余并機(jī)技術(shù)發(fā)展較為迅速。冗余方法確能提高USP系統(tǒng)的可靠性，但如何實(shí)現(xiàn)“冗余”卻是值得研究的問(wèn)題。M－UPS由于采用全數(shù)字化電路設(shè)計(jì)，因而具有高超的冗余并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)，有別于并機(jī)柜、并機(jī)板、并機(jī)模塊及無(wú)線并機(jī)等并機(jī)方案。

　　（1）并機(jī)運(yùn)行的UPS配備獨(dú)立的電壓與相位控制，沒(méi)有公共控制部分，不存在“瓶頸”現(xiàn)象。

　　（2）并機(jī)調(diào)試非常簡(jiǎn)單，只須每臺(tái)UPS參數(shù)設(shè)置好后，即可投入并聯(lián)運(yùn)行，不需要像有些品牌UPS要在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)功率均分。

　　（3）由于M－UPS全數(shù)字化控制及軟件設(shè)置參數(shù)，并機(jī)運(yùn)行的每臺(tái)UPS輸出波形、相位及電壓值都非常一致，因此并機(jī)環(huán)流幾乎為零，這樣除了提高運(yùn)行效率外，更重要的是提高并聯(lián)聯(lián)運(yùn)行的可靠性。

　　（4）在沒(méi)在并機(jī)柜的條件下，可以多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。理論上不受并機(jī)臺(tái)數(shù)的限制；目前已投入實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)為8臺(tái)UPS并聯(lián)運(yùn)行。

　　（5）在并聯(lián)系統(tǒng)中的一臺(tái)UPS發(fā)生故障及正在維修時(shí)，負(fù)載仍能保證由UPS供電，不像有些品牌UPS需要轉(zhuǎn)入維修旁路，M－UPS能真正做到脫機(jī)維修，這是提高并機(jī)系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。

　　（6）超長(zhǎng)的平均無(wú)故障時(shí)間，兩臺(tái)UPS并聯(lián)加上靜態(tài)旁路系統(tǒng)，使MTBF數(shù)值大幅度提高。

　　由于M－UPS采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)、先進(jìn)的工藝、嚴(yán)格的生產(chǎn)管理，使其具有很高的固有可靠性；同時(shí)由于M－UPS采用高質(zhì)量、高可靠的功率器件IGBT/IPM，全數(shù)字化的設(shè)計(jì)，直接數(shù)碼控制技術(shù)，使其在世界UPS品牌中脫穎而出。它除了具有高質(zhì)量、高指標(biāo)、高可靠、多功能等特點(diǎn)外，還兼具節(jié)能、環(huán)保功能，它不僅滿足今日的需要，更是UPS今后發(fā)展的方向。