UPS技術性能及可靠性研究

梁思思

摘 要：人們對計算機信息和數據的重視度日益提高，計算機能否安全運行與供電電源的好壞有密切的聯系。因此，網絡服務器等中心設備機房對供電系統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，并探究了其技術性能和可靠性。

關鍵詞：UPS電源；技術性能；可靠性；DSP技術

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

UPS也被稱為“不間斷電源”，是一種將直流電轉換成交流電的系統設備，常用于單臺計算機、網絡服務器或一些電子電力設施中，為它們穩定且不間斷地供應電力。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，對提高供電質量具有重要作用。因此，對UPS技術性能和可靠性進行研究具有一定的現實意義。

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、儲能設備和開關這幾部分構成。其中，輸入電路包括主路、旁路、電池等；整流器用來滿足系統的穩壓功能；AC/DC變換器通過自耦變壓器、全波整流、濾波等將交流電變為直流電，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、頻率漂移等優勢。如果市電的供應中斷，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因其優勢被廣泛應用于數據中心或大型網絡系統中。而后備式UPS常被應用于日常生活中，通過旁路開關直接輸出。只有在市電斷電時，電池組經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）和絕緣柵型場效應管（MOS）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，它綜合了這兩者的優點，具有驅動力小、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%，動態響應更好，使得輸出的波形更好，對負載或接地系統等幾乎不會造成干擾。

2.2 DSP技術和SMD電氣集成模塊

UPS通過硬件系統和微機系統對數據進行采集，用這些信號實現UPS的控制、調整、檢測和保護。DSP技術的處理速度較快，是傳統微處理器的12倍，同時簡化了硬件線路，提高了UPS的可靠性，具有更強的瞬態反應能力。采用仿真技術、表面安裝焊接技術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；欠壓預警可以使用戶在較為關鍵的時刻作出處理；對電池設定定期自檢的功能，將系統故障信息反饋給用戶，引導用戶在電池使用過程中以在線更換電池的形式應對相應故障問題，避免因電池故障造成損失。

在發揮電池保護功能的基礎上，為了避免出現不規范使用問題，相關技術人員在設備操控過程中逐步加強了對DSP技術、SMD技術的應用，從而可以有效應對傳統模擬控制環境下的多種問題，達到最佳的電池使用狀態。

2.4 靈活、可靠的并聯技術

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

2.5 控制和診斷軟件

控制軟件不僅具有信號采集的功能，還具有對運行狀態的自動監測、調整和管理功能。智能化的UPS應該要有專家系統故障診斷軟件，以便當系統出現故障時，能對故障進行診斷、推理，判斷故障的位置和性質，然后顯示給操作者或維修工程師，便于更快速地修復，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，保證重要設備的正常工作，常常用兩臺或者兩臺以上的單機構成雙機或者多機的UPS系統。這樣，即使單臺UPS發生故障，UPS系統也不會中斷供電。同時，也可外設旁路切換裝置，避免因逆變器故障而造成UPS供電中止。

3.1 外設旁路切換裝置

逆變器一旦發生故障，旁路交流電源就利用接觸器和靜態開關自行切換，同時帶負荷運行，保證UPS可以持續供電。為使旁路電源穩定工作，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“靜態切換開關”，是一種電源二選一自動切換系統，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、靜態切換開關實現其功能。如果主供電回路出現故障，就需要轉換到旁路電源。此時，要將旁路電源側的靜態開關閉合，保證主、旁電源同時處于工作狀態，然后將主回路側的接觸器切斷，在閉合旁路側接觸器的同時斷開旁路側靜態開關，使旁路電源供電。

3.2 采取恰當的方式連接

3.2.1 初級并聯方式

這種并聯方式是兩臺UPS共用一組靜態旁路開關，同時增設了并聯柜來調控負載電流，進一步實現并聯。要保證UPS切換的一致性，就要用同組靜態開關取代原來各電源上的靜態開關。與單個電源和串聯熱備份的方式相比，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，容易引發逆變器燒損；一旦靜態開關自身出現問題，整個供電系統的輸出便會出現異常。

3.2.2 高級并聯方式

高級并聯方式主要采用的是冗余式并聯方式，負載分配很均勻，設備的利用率很高。整個系統要依靠導航UPS輸出脈沖。一旦導航UPS停止工作，下級的UPS會自動成為導航器；上級的UPS恢復穩定后，將繼續控制其他UPS；如果系統中非導航的UPS發生故障，那么將自行退出。采用此連接方式能夠保證整個環路中的UPS由同一臺UPS控制，使得不同的UPS的輸出動態特性和參量的同步性有了很大提高，并且解決了初級并聯中較難解決的內部環流問題和靜態旁路開關的一致性等問題。

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 結束語

供電系統的供電質量、穩定性和效率與UPS工作的可靠性有十分緊密的聯系。因此，相關研究和技術人員需要從UPS的技術性能出發，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。

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〔編輯：劉曉芳〕