第五章 UPS維護注意事項

1、第五章 UPS第一節(jié) UPS發(fā)展概述UPS是不間斷供電電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power System）的英文簡稱，是能夠持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷向負(fù)載供電的一類重要電源設(shè)備。從廣義上說，UPS包含交流不間斷電源系統(tǒng)和直流不間斷電源系統(tǒng)。長期以來，電信業(yè)已習(xí)慣于把交流不間斷電源系統(tǒng)稱為UPS，故本章討論的UPS也是界定在的交流不間斷電源系統(tǒng)的范圍。隨著計算機的普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，為了保證計算機的正確運算，控制信號不出現(xiàn)丟失，保證設(shè)備的安全運行，人們對供電電源質(zhì)量提出了越來越嚴(yán)格的要求。計算機類或其他敏感先進儀器設(shè)備，除要求供電系統(tǒng)具有連續(xù)可靠之外，還要求市電供電系統(tǒng)的輸出

2、，保持良好的正弦波形且不帶任何干擾。一、市電供電電源質(zhì)量問題目前，我國市電供電電源質(zhì)量一般為：電壓波動±10%，頻率50Hz±0.5Hz，有些地區(qū)，還達不到這個標(biāo)準(zhǔn)。而市電電網(wǎng)中接有各式各樣的設(shè)備，來自外部、內(nèi)部的各種噪聲，又會對電網(wǎng)形成污染或干擾，甚至使電網(wǎng)污染十分嚴(yán)重。這些污染主要有以下幾種。（一）電壓浪涌電壓浪涌是指一個周期或多個周期，電壓超過額定電壓值的110%。比如重型設(shè)備的關(guān)機，由于電網(wǎng)中電流突然消失，其線路電感（分布參量）反電勢造成電壓上升；另一方面，線路電阻上電壓降的突然消失，也會造成電壓上升。（二）電壓尖峰電壓尖峰是指在二分之一周至100ms期間內(nèi)，疊加達

3、6000kV以上的電壓脈沖。這主要由雷電、開關(guān)操作，電弧式故障和靜電放電等因素造成。（三）電壓瞬變電壓瞬變是指在10ms至100ms期間，疊加在市電電壓上達20 k V的脈沖電壓。它的產(chǎn)生大致和電壓尖峰差不多，只是在量上有區(qū)別。（四）噪聲電壓噪聲電壓是指疊加在工頻電壓上的低幅度，而頻率范圍很寬的高頻分量。這種現(xiàn)象，在電網(wǎng)中很普遍，它的產(chǎn)生一般是電機電刷打火，繼電器動作，廣播發(fā)射，微波空中傳播，電弧焊接，遠距離雷電等。（五）過壓過壓是指超過電網(wǎng)電壓正常有效值一定百分比的穩(wěn)定高電壓。一般是由于接線錯誤，電廠或電站的誤調(diào)整，附近重型設(shè)備關(guān)機。對單相電壓而言，也可能是由于三相負(fù)荷不平衡或者是中線接地不

4、良等原因造成。（六）電壓跌落電壓跌落是指一個或多個周期電壓低于80%85%額定電壓有效值。主要是由于附近重型設(shè)備的啟動或者電動機類機器啟動造成。（七）欠壓欠壓是指低于正常市電有效值一定百分比的穩(wěn)定低電壓。這主要是由于這負(fù)荷而造成電網(wǎng)電壓的降低。（八）電源中斷電源中斷是指超過一周期的無電狀態(tài)。以上污染或干擾對計算機或其他敏感先進儀器設(shè)備所造成的后果不盡相同。如電源中斷，可能造成硬件損壞；電壓跌落，可能會使硬件提前老化、文件數(shù)據(jù)受損；過壓或欠壓、浪涌電壓等，可能會損壞驅(qū)動器、存儲器、邏輯電路，還可能產(chǎn)生不可預(yù)料的軟件故障；噪聲電壓和瞬變電壓以及電壓疊加，可能損壞邏輯電路和文件數(shù)據(jù)等等。大家都知道，

5、這些污染或干擾，供電電網(wǎng)是較難避免的，而這些污染或干擾對于計算機的動作，對于要求市電輸出保持良好正弦波形且不帶干擾的設(shè)備來說又是十分不利的。為了保證計算機類或其他敏感先進儀器設(shè)備的安全運行，為了滿足計算機類或其他敏感先進儀器設(shè)備，對供電電源質(zhì)量提出的嚴(yán)格要求，而發(fā)展和普及起來的一種新型供電系統(tǒng)（Uninterruptible Power System），稱為“不間斷電源系統(tǒng)”或“不停電供電系統(tǒng)”，簡稱UPS。UPS在通信網(wǎng)中的位置如下：圖5-1 靜態(tài)UPS框圖第二節(jié) UPS工作原理一、UPS分類從機械的角度來看，UPS可分為旋轉(zhuǎn)型和靜止型兩大類。旋轉(zhuǎn)型現(xiàn)已較少使用，不再贅述。目前廣泛應(yīng)用的UP

6、S屬于靜止型UPS。靜止型UPS采用精密的電子元器件，同時利用電池的儲能給設(shè)備供電。市電正常時將市電轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來；當(dāng)市電不正常時，由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能給設(shè)備供電。靜態(tài)UPS的基本框圖如下圖所示。圖5-2 靜態(tài)UPS框圖靜態(tài)UPS的特點是：（一）當(dāng)市電中斷后，UPS以蓄電池組作為電源繼續(xù)向負(fù)載供電，依據(jù)蓄電池組容量的大小，可以供電10分鐘至數(shù)小時。在此期間，若市電不能恢復(fù)，則可以啟動柴油發(fā)電機代替市電供電。（二）在線式UPS具有穩(wěn)壓和穩(wěn)頻的功能，還可以降低電源的噪聲，改善工作條件。目前這種系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定度一般小于1%，頻率穩(wěn)定度一般小于0.5%，噪聲一般小于80d B。另外，還能抑制和削弱

7、輸入電壓波形的下陷、尖峰、浪涌、下跌和消除高次諧波等現(xiàn)象。（三）不需要固定地基，可能隨移動，工作時沒有振動，使用方便，并且有比較完備的保護、報警功能。靜態(tài)UPS由于具有以上特點，所以發(fā)展很快。特別是在大功率晶體管，門極控制開關(guān)（GTO）等半導(dǎo)體器器件快速發(fā)展的情況下，UPS已發(fā)展成為晶體管化的、微機控制的現(xiàn)代UPS。由于靜止型UPS可按多種性能特點進行分類，而這些分類方式對于UPS選型應(yīng)用有著較大的意義，以下對各種UPS分類進行逐一說明： （一）按配電方式分類根據(jù)用戶的不同配送系統(tǒng)，有三種UPS機型可供用戶選擇，這種劃分與UPS的輸出功率有關(guān)。圖5-3 不同配送系統(tǒng)UPS分類1、單進/單出機型

8、：選用此機型時，用戶無需考慮UPS輸出端的負(fù)載均衡分配問題，但必須考慮市電配電的三相均衡帶載問題。2、三進/單出機型：此種機型的交流旁路市電輸入的相線和中線配置可單相承擔(dān)UPS額定輸出電流的導(dǎo)線截面積，防止三相電壓不平衡時中線電流過大。3、三進/三出機型：輸入要求同2；另外還要將UPS輸出端的負(fù)載不平衡度控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)。（二）按工作方式分類從工作方式上講，靜態(tài)式UPS分為三類：后備式（OFF LINE）、在線式（ON LINE）和在線互動式（LINE INTERACTIVE）。1、后備式UPS后備式UPS原理框圖如下：圖5-4 后備式UPS原理框圖后備式UPS性能如下表：項目后備式U

9、PS容量范圍0至幾KVA，多為1KVA以下，且多為500VA技術(shù)特征多為準(zhǔn)方波輸出，對市電沒有凈化功能；逆變器為后備工作方式，掉電轉(zhuǎn)逆變工作有時間間隔結(jié)構(gòu)采用工頻變壓器來進行能量傳遞的，電源笨重而且體積大優(yōu)點價格便宜，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高缺點沒有凈化功能，穩(wěn)壓特性差，掉電切電池有間斷時間適用場合只能處理斷電問題，僅適合比較簡單、不很重要的環(huán)境使用，如辦公或家用PC，不重要的網(wǎng)上終端等2、在線互動式UPS在線互動式原理框圖如下：圖5-5 在線互動式UPS原理框圖在線互動式UPS性能如下表：項目在線互動式UPS容量范圍多在5KVA以下技術(shù)特征充電器與逆變器合為一體，沒有整流環(huán)節(jié)，輸出電壓分段調(diào)整，工

10、作在后備方式。當(dāng)輸入變壓器抽頭跳變時，功率單元作為逆變器工作一段時間，彌補繼電器跳變過程中的輸出供電的間斷結(jié)構(gòu)使用工頻變壓器，電源笨重、體積大優(yōu)點可靠性較高，結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低缺點后備工作方式，凈化功能差，掉電切電池有間斷時間適用場合能滿足大多數(shù)的要求，如網(wǎng)上路由器，集線器，終端；辦公及家用PC。但不適合大型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心和其它關(guān)鍵用電領(lǐng)域3、在線式UPS在線式UPS原理框圖如下：圖5-6 在線式原理框圖在線式UPS性能如下表：項目在線式UPS容量范圍幾百伏安到幾千伏安（單機）技術(shù)特征輸出正弦波， 逆變器主供電，掉電轉(zhuǎn)電池沒有中斷時間 ，對市電進行完全凈化結(jié)構(gòu)絕大部分采用的是高頻變換技術(shù)，能量的

11、變換也都使用的是高頻變壓器來完成的，體積小、重量輕、噪聲低優(yōu)點對市電完全凈化缺點價格比較貴，效率相對較低適用場合提供全面而徹底的保護，10KVA以上UPS大都采用這種技術(shù)，適合大型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中心和其它關(guān)鍵用電領(lǐng)域如服務(wù)器及其他重要儀器，設(shè)備，控制系統(tǒng)等在實際工作中，可根據(jù)負(fù)載對輸出穩(wěn)定度、切換時間、輸出波形的要求，確定是選擇后備式、在線互動式、在線式。在線式UPS的輸出穩(wěn)定度、瞬間響應(yīng)能力比另外兩種強，對非線性負(fù)載及感性負(fù)載的適應(yīng)能力也較強。另外如果要使用發(fā)電機帶短延時UPS，由于發(fā)電機的輸出電壓和頻率波動較大，推薦使用在線式。（三）按輸出容量分類按輸出功率大小可分為中小容量UPS（10kVA及

12、以下）和大容量UPS（10kVA以上）。中小容量UPS包括后備式、在線互動式和在線式；大容量UPS一般為在線式。當(dāng)設(shè)備需求容量大時，可以選用單機容量較大的UPS，也可以選擇多臺中小容量UPS進行并聯(lián)冗余實現(xiàn)。但推薦使用單臺大容量UPS，因為采用單臺容量較大的UPS集中供電方式，不僅有利于集中管理UPS，有效利用電池能量，而且降低了UPS的故障率。二、UPS并機冗余并機包含兩層含義：冗余和增容。并機不一定是冗余的，并聯(lián)的概念才是增容，而冗余的概念則是可靠性。如兩臺30kVAUPS并聯(lián)給40kVA負(fù)載供電，只能說是這兩臺實現(xiàn)了并聯(lián)，但若其中一臺因故障而關(guān)機，則余下的另一臺也會因過載而切換到旁路上去

13、，若負(fù)載為15kVA則一臺因故停機時，不會切換到旁路上而由另一臺UPS繼續(xù)供電，這就實現(xiàn)了冗余，在實際工作中，應(yīng)根據(jù)實際情況確定并機的目的是冗余還是增加可靠性?，F(xiàn)在大型UPS電源MTBF可達20萬小時以上，但并不能確保故障率為零，在UPS電源中可采用具有容措功能的冗余配置方案來解決這個問題。因此如何解決好多臺UPS電源以同頻、同相、同幅運行是實現(xiàn)多臺UPS冗余供電的關(guān)鍵。從冗余式配置方案來看，有這樣幾種方式：主機從機型“熱備份”UPS供電方式；直接并機冗余UPS供電方式；雙總線冗余供電方式。（一）主機從機型“熱備份”UPS供電方式這是緣于UPS電源的鎖相同步控制技術(shù)還未完善到足以保證多臺UPS

14、的逆變器電源總是處于同相、同頻的跟蹤技術(shù)下常采用的方案。主機從機型“熱備份”UPS供電方式如下圖所示。圖5-7 主機從機型“熱備份”UPS供電方式上圖中，UPS-2中的逆變器電源2一直處于空載狀態(tài)，只有當(dāng)UPS-1故障時，UPS-2才承擔(dān)供電業(yè)務(wù)。此方式的缺陷在于UPS-2長期處于空載狀態(tài)，其電池壽命會縮短、容量會下降，且UPS-2得具有階躍性負(fù)載承載能力，無擴容能力。為提高性價比，可采用下圖形式。UPS-1、UPS-2作主機使用，而UPS-3作為二者的從機。圖5-8 三臺UPS構(gòu)成的“熱備份”冗余供電系統(tǒng)（二）直接并機冗余供電方式為克服主機從機型熱備份供電系統(tǒng)的弱點，隨著UPS控制技術(shù)的進步

15、，具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯(lián)而形成冗余供電系統(tǒng)。為保證高質(zhì)量的并機系統(tǒng)，各電源間必須保持同頻、同相，且各機均流。一套設(shè)計完善的n+1型并聯(lián)冗余供電系統(tǒng)應(yīng)完成以下的控制功能。1、鎖相同步調(diào)節(jié)功能為安全、可靠執(zhí)行供電的切換，要求逆變輸出頻率及相位與旁路市電處于嚴(yán)格的鎖定狀態(tài)而且對多臺間的相位差進行微調(diào)，使相位差盡可能趨于零，從而實現(xiàn)冗余系統(tǒng)鎖相同步的完善調(diào)節(jié)，以防止并聯(lián)系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流。2、均流調(diào)節(jié)應(yīng)保證并機系統(tǒng)均衡承擔(dān)總電流，因此UPS并機控制電路應(yīng)對每臺UPS的輸出電壓進行微調(diào)，以保持多臺UPS電流輸出的均衡度。3、選擇性脫機跳閘功能并機控制電路應(yīng)正確判斷出哪臺UPS單機出現(xiàn)故障，并進

16、行自動操作，向值機人員發(fā)出告警信號，以便及時檢修。4、非冗余工作狀況報警若系統(tǒng)處于非冗余狀況，并機控制電路應(yīng)發(fā)出告警，提醒值機人員及時排除故障，恢復(fù)冗余供電狀態(tài)，防止由于負(fù)載的變化切換到交流旁路供電系統(tǒng)。5、環(huán)流監(jiān)控環(huán)流的出現(xiàn)，將會導(dǎo)致UPS并機系統(tǒng)運行效率下降，加速單機老化，嚴(yán)重時造成向交流旁路系統(tǒng)切換或停止供電。因UPS設(shè)計不同，直接并機方案有簡單的直接并機方案、主動式的并機方案以及輸出端帶“總線輸出開關(guān)”冗余供電設(shè)計的直接并機方案。（1）簡單的直接并機方案各臺UPS只實行與市電的跟蹤同步，相互間對相位、電壓不進行調(diào)節(jié)，因此易發(fā)生故障。（2）主動式直接并機方案各臺UPS只實行與市電的跟蹤同

17、步，相互間對相位、電壓不進行調(diào)整?！?+1”型直接并機方案“1+1”型直接并機方案如下圖所示，“1+1”并機板完成調(diào)節(jié)單機間的相位差，對輸出電壓進行微調(diào)，達到對負(fù)載的均衡供電并實行環(huán)流管理。圖5-9 “1+1”型直接并機方案“導(dǎo)航型”UPS直接并機方案“導(dǎo)航型”UPS直接并機方案如下圖所示，它與“1+1”型直接并機方案的區(qū)別在于將其中一臺UPS單機作為具有優(yōu)先同步跟蹤市電的“導(dǎo)航UPS”，其余UPS則去同步跟蹤“導(dǎo)航機”，不直接同步跟蹤市電電源。相對來講此系統(tǒng)不需要并機控制柜，但可能出現(xiàn)各機的相位差較大，環(huán)流偏大。圖5-10 “導(dǎo)航型”UPS直接并機方案“熱同步”并機技術(shù)“熱同步”并機技術(shù)如下

18、圖所示，當(dāng)兩臺UPS在執(zhí)行并機操作時，在強大的微處理器的直接數(shù)字合成技術(shù)和自適應(yīng)調(diào)控功能支持下，無需捕捉相互的實時參數(shù)，而達到互鎖及均流的目的。圖5-11 “熱同步”并機技術(shù)采用“并機柜”的并機方案下圖所示為采用“并機柜”的并機方案，它是用一個專門的“并機柜”來代替原分散交流旁路供電通道，解決了各個分散的交流旁路上的“靜態(tài)開關(guān)”的不均流帶載問題。圖5-12 采用“并機柜”的并機方案（三）雙總線冗余供電方式由于在UPS供電系統(tǒng)中，輸出端與負(fù)載間配有配電柜和斷路器等，若碰到檢修或產(chǎn)生故障，以上介紹的幾種配置形式將引起負(fù)載停電，也即系統(tǒng)的故障率雖然降低了，但可維護性問題并沒有徹底解決。因此，可采用下

19、圖所示的雙總線冗余配置方案。其中，配有兩套靜態(tài)開關(guān)STS1、STS2構(gòu)成的是一套能自動執(zhí)行安全可靠的具有零切換時間的系統(tǒng)。圖5-13 雙總線冗余供電方式三、主要性能和技術(shù)指標(biāo)依據(jù)2001年信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的YD/T1095-2000，應(yīng)用性能指標(biāo)把UPS分三類。在這三類指標(biāo)中，第類指標(biāo)是指能滿足負(fù)載要求的最低性能指標(biāo)，對一般性負(fù)載設(shè)備來說，在這類指標(biāo)下是可以正常運行的，第類指標(biāo)是當(dāng)前UPS技術(shù)所能運行或經(jīng)改進后能達到的最高水平。對于各種電路結(jié)構(gòu)形式的UPS，它的各種指標(biāo)有屬于類，也有屬于、類的，因此選用UPS時，電路形式不應(yīng)該是確定電性能指標(biāo)的依據(jù)，在配置UPS供電系統(tǒng)時應(yīng)考慮不同的電網(wǎng)環(huán)境和負(fù)

20、載設(shè)備的要求，它應(yīng)包括以下幾方面：（一）輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成分UPS作為供電系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，它同時是電網(wǎng)的負(fù)載，輸入功率因數(shù)高低是衡量是否對電網(wǎng)存在污染的一個重要電性能指標(biāo)，輸入功率因數(shù)低時，不僅在吸取有功功率的同時，還要吸收無功功率，其結(jié)果增大了系統(tǒng)配電容量，影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。輸入電流諧波成分形成輸入的無功功率，它是造成UPS輸入功率因數(shù)低的一個重要因素，因此在電路設(shè)計時，有的UPS加入了PFC電路。（二）電源效率、輸出電流峰值系數(shù)、過載能力輸出能力和可靠性是一切設(shè)備最重要的性能指標(biāo)?？煽啃酝ǔＳ闷骄鶡o故障時間（MTBF）來衡量，但評價難度大。因此，若設(shè)備效率高，意味著本身損耗小，主要功率器件可靠性高；過載能力強，意味著同樣的環(huán)境和負(fù)載條件下可靠性高。（三）輸出電壓穩(wěn)壓精度輸出電壓穩(wěn)壓精度是UPS常規(guī)指標(biāo)之一，指市電逆變供電時，當(dāng)輸入電壓在設(shè)計范圍內(nèi)，以及負(fù)載在滿負(fù)荷內(nèi)100變化時，輸出電壓的變化量與額定值的百分比。（四）輸出功率因數(shù)負(fù)載運行時不但要吸收有功功率，還要吸收無功功率。負(fù)載功率因數(shù)低時，所吸收的無功功率就大，將增加UPS的工作難度