近幾年來隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，各種通信設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)不間斷電源的需求日益加大，而在通信機(jī)房中安裝UPS供電系統(tǒng)也變得越來越普遍。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的UPS供電系統(tǒng)能給負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源，然而在實(shí)際應(yīng)用中，許多問題又往往是UPS供電系統(tǒng)本身引起的。因此，如何實(shí)際一個(gè)合理的供電方案，也成為大家關(guān)注的問題。在具體設(shè)計(jì)一個(gè)UPS供電方案時(shí)，必須將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求和實(shí)際需求結(jié)合起來，綜合考慮多方面因素，下面僅從標(biāo)準(zhǔn)角度出發(fā)將幾點(diǎn)需要考慮的方面進(jìn)行簡單分析。  

    1、輸入電壓的可變范圍  

    通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1095-2000《通信用不間斷電源——UPS》規(guī)定輸入電壓分為三類：第一類為±25%;第二類為±20%;第三類為10%——15%。總體來講，輸入電壓可變范圍越寬，則負(fù)載由電池逆變供電的機(jī)會(huì)越少，可以有效地延長電視的使用壽命。但后備式及互動(dòng)式UPS其電路拓?fù)錄Q定它的輸入電壓范圍不可能很寬，否則其輸出電壓穩(wěn)定精度就很差。一般地將，大容量UPS主機(jī)輸入電壓范圍為380±15%。電壓過低，將使UPS后備電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命，相反，電壓過高，則容易引起逆變器損壞。對(duì)于旁路輸入，其電壓和頻率波動(dòng)也有一定的范圍，一般為額定電壓±10%，額定頻率±15%，如果前級(jí)電源變化范圍過大，就會(huì)導(dǎo)致逆變器和旁路電源之間的切換被禁止或者有間斷。因此，如果通信機(jī)房的前級(jí)電網(wǎng)在帶你呀范圍上達(dá)不到要求，應(yīng)在UPS前級(jí)配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源。  

    2、輸入電壓頻率  

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：輸入頻率范圍為50Hz±4%。在要求的輸入頻率范圍內(nèi)，負(fù)載由市電變換后供電，當(dāng)頻率超出范圍時(shí)由電池逆變供電。因此輸入頻率范圍越寬則啟用電池工作的機(jī)會(huì)越少，可以延長電池的壽命。特別是市電停后供電油機(jī)的頻率變化范圍是很寬的。目前市場上較好的UPS輸入頻率范圍可達(dá)50±5Hz。  

    3、輸入功率因數(shù)  

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為三類：第一類為≥0.95，第二類為≥±0.90，第三類為≥0.85。UPS作為供電系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)，它本身具有雙重性格：對(duì)于上一級(jí)供電設(shè)備(電網(wǎng))，它是一個(gè)交流負(fù)載;而對(duì)于下一級(jí)負(fù)載，它是一個(gè)交流電源，是電網(wǎng)的一部分。如果把UPS與UPS的負(fù)載當(dāng)成一個(gè)整體，作為上一級(jí)電網(wǎng)的交流負(fù)載出現(xiàn)時(shí)，它的功率因數(shù)由兩部分決定：UPS負(fù)載的功率因數(shù)和UPS的電路結(jié)構(gòu)形式。這時(shí)的功率因數(shù)，叫做“UPS輸入功率因數(shù)”。  

    后備式和在線互動(dòng)式UPS的輸入功率因數(shù)等于UPS輸出負(fù)載的功率因數(shù)，他們本身不生產(chǎn)附加的功率因數(shù)失真。傳統(tǒng)雙變換在線式UPS由于輸入側(cè)的變換器是整流濾波電路，它的輸入功率因數(shù)較低，小于0.8，并且和UPS輸出端的負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。雙變換式UPS附加有源功率因數(shù)校正電路(PFC)后，輸入功率因數(shù)可達(dá)0.99，且不受UPS輸出端負(fù)載性質(zhì)影響。  

    輸入低功率因數(shù)PF太低是供電電網(wǎng)不允許的，輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流污染市網(wǎng)，以脈動(dòng)的繼續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動(dòng)電流在外電網(wǎng)沿路阻抗上形成脈動(dòng)電壓疊加在電網(wǎng)電壓的正弦波上，造成電壓失真，這就是所謂的電力公害。

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為三類：第一類為<5%;第二類為<15%，第三類為<25%。輸入電流諧波成分THD(TotalHarmonicDistortion)是指輸入電流中非基次電流占總電流的百分比，諧波成分越少表示及其性能越優(yōu)，這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)要求。另功率因數(shù)PF與電流諧波THD有一定的聯(lián)系。在輸入電壓無失真的條件下，且像移角為0°，實(shí)際還是有一定的相差特別是傳統(tǒng)在線式，因此在同樣的PF值時(shí)，THD值比表1中的要小。　　  

    5、輸出電壓穩(wěn)壓精度  

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：輸出電壓穩(wěn)壓精度分為三類：第一類為±1%，第二類為±3%，第三類為5%。用電設(shè)備的不同，對(duì)輸出電壓的精度也有不同的要求，如路由器、服務(wù)器等高端用電設(shè)備就對(duì)輸出電壓穩(wěn)壓精度有較高的要求，目前市場上采用雙變換在線式電路拓?fù)洌�及運(yùn)用DSP(DisgitalSignalPSrocessingTechnolgy)技術(shù)，穩(wěn)壓精度大大提高，可以達(dá)到≤1%。

    6、輸出波形失真度

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：輸出波形失真度分為三類：第一類為≤2%;第二類為≤3%;第三位為≤5%(線性負(fù)載)。波形失真度是諧波成分與諧波、基波之和的百分比，該指標(biāo)越小越好。目前運(yùn)行方式為后備式及互動(dòng)式的UPS系統(tǒng)該指標(biāo)在第三類左右，而采用DSP控制的在線式UPS能有效地降低波形失真度，精度較高，目前應(yīng)用以比較普遍。

    7、輸出功率因數(shù)

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輸出功率因數(shù)≤0.8。

    UPS的“輸出功率因數(shù)”這個(gè)概念是衡量UPS輸出能力的一個(gè)指標(biāo)。顯然，這里UPS是作為負(fù)載的供電設(shè)備出現(xiàn)的，而“功率因數(shù)”這個(gè)概念是專為負(fù)載量身定做的，它反映的是負(fù)載的某些性質(zhì)。于是我們借用“功率因數(shù)”的概念加上“輸出”兩字，來表述作為供電設(shè)備的UPS的輸出能力。

    UPS的“輸出功率因數(shù)”的大小是由UPS負(fù)載的功率因數(shù)決定的，我們認(rèn)為負(fù)載功率因數(shù)越大，它獲得有功功率的能力越強(qiáng)，但是由負(fù)載功率因數(shù)決定的“輸出功率因數(shù)”越大，表示UPS的輸出能力越小，由于UPS不可能滿足任意非線性負(fù)載的要求，故約定以計(jì)算機(jī)類負(fù)載的輸入功率因數(shù)作為UPS的輸出功率因數(shù)指標(biāo)，約定≤0.8。用一個(gè)由UPS負(fù)載性質(zhì)決定，而不是由它本身決定的技術(shù)指標(biāo)，來衡量UPS輸出能力的好壞，而又以計(jì)算機(jī)類設(shè)備為默認(rèn)的負(fù)載，那么輸出功率因數(shù)≤0.8這個(gè)指標(biāo)的意義就不難理解了。充分理解這個(gè)指標(biāo)的含義后，我們?cè)诟鶕?jù)負(fù)載容量決定UPS系統(tǒng)總?cè)萘繒r(shí)要充分考慮這個(gè)指標(biāo)。

    8、切換時(shí)間

    有兩個(gè)切換：一個(gè)市電電池間切換時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為三類：第一類為0ms，第二類為<4ms，第三類為大于4ms。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，則市電電池卻換時(shí)間不同。一般在線式UPS因市電及電池都變換為一個(gè)中間直流電壓，而這個(gè)中間直流電壓都有比較大的電解電容，因此在線式UPS市電電池見切換時(shí)間為0ms。而后備式或互動(dòng)式是通過繼電器進(jìn)行切換，一般存在一個(gè)幾個(gè)毫秒的切換時(shí)間。這個(gè)切換只要市電不良就會(huì)發(fā)生。

    另一切換時(shí)間就是逆變旁路切換時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分為三類，I類分為1ms，II類分為<4ms，III類分為>4ms。在線式UPS一般在開機(jī)瞬間或過載或過溫或整流逆變通路故障造成輸出電壓不正常時(shí)，USP會(huì)切換到旁路供電。應(yīng)該說這個(gè)轉(zhuǎn)換發(fā)生的概率小于上面因市電不良而切換的概率。對(duì)于小功率UPS，這個(gè)切換一般采用繼電器便能完全滿足要求，但在大功率中因大繼電器動(dòng)作時(shí)間長，一般采用SCR實(shí)現(xiàn)。

    在選擇UPS系統(tǒng)時(shí)，對(duì)低端用電設(shè)備如普通計(jì)算機(jī)來講，上述指標(biāo)沒有太大的意義，不會(huì)直接影響到設(shè)備的運(yùn)行，但對(duì)于高端設(shè)備如服務(wù)器來說，后備式和互動(dòng)式系統(tǒng)的供電質(zhì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須選用在線式系統(tǒng)。

    9、電池組智能管理功能

    標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：UPS應(yīng)具有定期對(duì)電池組進(jìn)行自動(dòng)浮充、均充轉(zhuǎn)換，電池組自動(dòng)溫度補(bǔ)償及電池組放電記錄功能。

    蓄電池是UPS重要組成部分，也是UPS中的薄弱環(huán)節(jié)。由于蓄電池的成本可能超過USP主機(jī)本身，且其運(yùn)行穩(wěn)定與否直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作。目前UPS出現(xiàn)的故障，很大比例是電池故障或由電池引起。因此如何提高電池的壽命是大家所關(guān)注的。UPS中電池絕大部分采用鉛酸免維護(hù)密封電池，其壽命及放電容量與溫度有很大的關(guān)系，先限流后恒壓的充電管理方式是很大部分廠家在設(shè)計(jì)中較為廣泛采用的，并根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)充電電壓的高低。這一功能在系統(tǒng)的整體運(yùn)行中也很重要，也是做設(shè)計(jì)方案選型時(shí)需要考慮的一個(gè)方面。

    10、供電靠行

    標(biāo)準(zhǔn)中提到，為了提高UPS供電的可靠性，可采用多種UPS冗余連接方式來提高可靠性，各種方式都有優(yōu)缺點(diǎn)。考慮方案時(shí)要根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況，選擇合適的模式。當(dāng)前冗余連接方式大致有一下三種：

    (1) 雙機(jī)主從式熱備份。將作為從機(jī)的UPS1輸出接到另一臺(tái)作為主機(jī)的UPS2的旁路輸入，正常運(yùn)行時(shí)由USP2供電，UPS1處于備份。當(dāng)UPS2故障時(shí)，負(fù)載切換至UPS2旁路，由USP1承擔(dān)負(fù)載供給任務(wù)。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制簡單，但存在以下缺點(diǎn)：主機(jī)長時(shí)間工作，從而機(jī)處于長期待機(jī)狀態(tài)，兩機(jī)的元件老化程度不均勻;在從機(jī)供電的狀態(tài)下，主機(jī)靜態(tài)旁路故障時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)供電失敗;系統(tǒng)負(fù)載不能超過單機(jī)容量且以后無法擴(kuò)容。

    (2) 功率均分并聯(lián)備份。該系統(tǒng)將兩臺(tái)或多臺(tái)UPS逆變單元并聯(lián)運(yùn)行，正常時(shí)兩臺(tái)(或多臺(tái))逆變器同時(shí)向負(fù)載均分供電，當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí)，該UPS從系統(tǒng)中脫離，用戶所需負(fù)載電流，由剩余逆變器按新的份額重新供電。此種方式目前有兩種結(jié)構(gòu)，一種是UPS通過外加并機(jī)柜方式并聯(lián)，并機(jī)柜提供同步及多機(jī)均流控制，同時(shí)提供并聯(lián)系統(tǒng)的總靜態(tài)旁路;另一種是在每臺(tái)UPS內(nèi)安裝一套邏輯控制板，控制各臺(tái)及其的同步及均流輸出。此方案的優(yōu)點(diǎn)是易于擴(kuò)容，通過冗余備份提高供電可靠性，但也存在缺點(diǎn)：

    a) 采用并機(jī)柜方式的，并機(jī)柜成為系統(tǒng)的公共瓶頸點(diǎn)，一旦它內(nèi)部時(shí)空或故障，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)供電失敗。

    (3) 并聯(lián)熱備份。該系統(tǒng)將兩臺(tái)UPS的電池組輸入，整流器輸出及逆變器輸出并聯(lián)，并共用旁路，正常時(shí)兩臺(tái)整流器同時(shí)向兩逆變器供電，并向兩組電流充電，通過逆變器輸出靜態(tài)開關(guān)選擇其中一臺(tái)逆變器向負(fù)載供電，兩臺(tái)整流器和逆變器分別互為備用，只有當(dāng)兩臺(tái)逆變器同時(shí)故障時(shí)，系統(tǒng)將負(fù)載切至共同靜態(tài)旁路，由市電繼續(xù)向負(fù)載供電。該方案沒有瓶頸故障點(diǎn)，任何一臺(tái)UPS局部或整體故障，系統(tǒng)仍能繼續(xù)向負(fù)載供電，由于真正輸出只有一臺(tái)逆變器，故也不存在逆變器見的環(huán)流，但由于此模式類似單機(jī)運(yùn)行模式，帶載能力相對(duì)差且不容易擴(kuò)容。以上三種方案的選擇，需要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮來決定。

    11、系統(tǒng)設(shè)備的智能性

    標(biāo)準(zhǔn)中還有其它指標(biāo)如電源效率、噪聲等等，對(duì)系統(tǒng)所具備的智能性也提出了規(guī)范和要求。為了保證供電系統(tǒng)能長時(shí)間不斷運(yùn)行，UPS必須具有智能性，對(duì)運(yùn)行中的UPS狀態(tài)自動(dòng)檢測，對(duì)UPS故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)、診斷和處理，并大大減少因故障或檢修而造成的間斷，同時(shí)，作為通信機(jī)房動(dòng)力系統(tǒng)的一部分，應(yīng)提供通信協(xié)議，以便納入動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)考慮到這些因素。

    一般來說，作為智能性的UPS應(yīng)具備下列功能：

    (1) 實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。監(jiān)視電路中各部分狀態(tài)，隨時(shí)獲取主機(jī)工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)。

    (2) 人機(jī)交互功能。可按實(shí)際運(yùn)行情況，通過程序修改，重新設(shè)置UPS內(nèi)部的各種臨界工作點(diǎn)閥值，也可讀取UPS電源各種工作參數(shù)。

    (3) 故障診斷功能。對(duì)監(jiān)測到的不正常參數(shù)及時(shí)分析，及早發(fā)現(xiàn)故障苗頭，顯示其性質(zhì)、部位，給出處理方法，并自動(dòng)記錄有關(guān)信息。

    (4) 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。提供一個(gè)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)接口，能通過RS232或RS485接口經(jīng)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與異地計(jì)算機(jī)終端通訊，達(dá)到遙測和遙信的目的。

    要設(shè)計(jì)一套完整的UPS供電方案，除去上面結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)提到的一些考慮因素外，還有考慮系統(tǒng)與前級(jí)供電系統(tǒng)中的應(yīng)急供電發(fā)電機(jī)組的匹配兼容問題、前級(jí)供電系統(tǒng)中不應(yīng)當(dāng)帶有別的頻率啟動(dòng)負(fù)載、系統(tǒng)總?cè)萘咳绾未_定、蓄電池如何配備、及電氣隔離和接地等等，在設(shè)計(jì)通信機(jī)房UPS供電系統(tǒng)時(shí)，我們既要考慮節(jié)省投資，有要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性，以及不同用電設(shè)備對(duì)供電系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和數(shù)據(jù)要求，綜合考慮個(gè)方面因素，才能設(shè)計(jì)一套最佳的UPS供電方案。■