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UPS选购要点


   随着计算机及网络技术的飞速发展和广泛的应用,网络系统对供电质量提出了更高的要求,不间断电源系统—UPS已逐渐成为供电系统中的关键环节。作为用户在选用UPS时存在很多问题,特别是听到各厂家都在详述自己 UPS 的优点时,不知选择UPS时应注意那些关键点。以下就从用户角度出发对如何评价、选择一台合适的UPS提出一些建议,并对UPS指标体系作出简要的解释。
  
   输入技术指标
  
   要保证UPS能在当地市电条件下正常运行,并且不对市电产生不良影响,必须关注UPS的输入技术指标。这方面的性能指标包括:
  
   ⑴输入电压范围:即UPS允许市电电压的变化范围,因为当地的电压波动情况直接影响UPS的运行,特别是有些地区电网比较恶劣,白天和晚上的电压相差很大。如果UPS 要24小时工作,在如此大的变化范围里,UPS能否工作至关重要。如不能工作,只有转电池,这样一则电池并没有用于真正的断电,二则频繁转电池会影响电池的寿命。如果该UPS的转电池装置为继电器,则对继电器的损坏特别严重,大大增加了UPS的故障率。
  
   ⑵允许市电电压波形失真度:因为市电并不是纯正弦波,而是波形有失真,同时带有许多杂讯。UPS必须适应各种恶劣的失真严重的市电环境。
  
   ⑶允许市电的不平衡度(三相):市电由于各种运行故障,很可能某一相出现短路等故障而掉电。对三相机(输入为380V)必须允许市电的不平衡度,以适应各种市电环境。
  
   ⑷允许市电频率变化范围:市电经常出现频率漂移,UPS必须适应,范围越宽越好。
  
   ⑸UPS输入功率因数:输入功率因数是一个重要指标。提高此项指标不仅可以降低线路损耗、节约电能、消除火灾隐患,还可以减少对市电的谐波污染,提高市电的供电质量,获得较大的经济效益及社会效益。提高输入功率因数的方法由无源功率因数校正技术发展到有源功率因数校正技术。没有采用校正技术的输入功率因数很低,最理想的输入功率因数是1。国际标准中测量输入功率因数时要带整流性负载,负载的输入功率因数为0.707。用户看厂家提供该数据时要确认是在什么条件下测试而得的。如果条件不同则比较该指标是毫无意义的。
  
   ⑹ UPS输入电流的谐波成份:该指标表示UPS对市电影响的程度,该指标在国际标准中均有规定,关键是看该 UPS 有无真正通过国际标准测试。
  
   输出的技术指标
  
   对用户而言,要求UPS具有足够的输出能力及可靠性,否则就会影响负载的运行,甚至构成新的故障源。输出能力指标既是负载的要求,也直接反映了UPS的可靠性,实际上是可靠性的量化,这些指标包括:
  
   ⑴输出过载能力:这是UPS输出指标中最重要的指标之一,过载能力强不仅仅是因为余量设计足,它还有许多其他的设计要求。作为用户可以简单地设想,如一台1kVA的UPS可过载150%,那即是花1kVA的钱买1.5kVA的UPS,何乐而不为(但这并不推荐)。
  
   ⑵输出电压波形失真度:把忍受市电电压的失真交给UPS,给用户设备的电源应是非常纯净的,失真度越高表示该UPS的电网净化能力越差。用户须注意输出电压波形失真度的测量须在统一的负载条件下测试,如国际标准中要求负载(在实际使用中即用户的设备)在线性负载下有一指标,在非线性负载下有一指标。
  
   ⑶输出电压不平衡度:对UPS的输出而言,不论输入是否偏相,输出电压不平衡度要越小越好,给用户一个稳定的电源。
  
   ⑷输出电压频率稳定度:一般指电池工作时的输出电压频率稳定度,越小越好。
  
   ⑸市电掉电时的转换时间:希望是越小越好,但有些容性负载可以承受短时间的转换,UPS如采用继电器则存在4~10ms的转换时间,对采用电子开关小一些,关键是看该UPS采用何种技术。如后备式与在线互动式有转换时间,在线式UPS则不存在。
  
   ⑹输出电流峰值系数(周期性峰值负载/非周期性峰值负载):容量大的UPS需为很多设备供电,如果这些设备内都有二次电源,且这些电源都在正弦波电压峰值上同时取电流,将会出现瞬时大峰值比的脉冲,如UPS的输出电流峰值系数小,则无法承受这种冲击,只有转旁路,导致UPS供电系统的崩溃。
  
   ⑺运行效率:效率的大小体现了对电网的利用率,效率低的UPS表示有更多的能量被耗掉,如开关的通态损耗及开关损耗、磁性元件的铜损铁损、其他元件的损耗等,各种损耗最终都表现为热损耗。热损耗的加大要求散热条件的改善,散热问题处理不好将大大增加UPS的故障率。
  
   ⑻电磁兼容及抗干扰功能:选择通过电磁兼容测试的UPS,可以减小对电网的污染、对人体的辐射,也可避免影响其他设备的正常工作。抗干扰功能指UPS在各种干扰严重的场合能否正常工作,UPS除了不要干扰别的设备外,也要有抵抗别的设备干扰的能力。
  
   ⑼输出功率因数:输出功率因数是适应不同性质负载的能力。理想的输出功率因数是超前0.0~滞后0.0,这时说明它可以带任何性质的负载。现业界通常为0.7,其实输出功率因数的大小最好和负载的输入功率因数一致,不等时都要降额使用(降容量VA或降实功W)。
  
   ⑽平均无故障时间(MTBF):这个数据往往无法验证,而且也只是理论计算,不能太相信。不过现在的全数字控制技术与传统的模拟控制技术相比,大大增加了MTBF,这毫无疑问。
  
   ⑾冷启动能力:这个功能一般都能做到,对UPS也必须具备。
  
   ⑿输出电压稳定精度:这个参数个人最不重视,1%与2%有什么分别,5%又如何。对于负载的电源设计时所允许的输入电源范围远远大于这个指标。实际上市电电压变化为±10%~±15%时,对负载运行是绝对没有影响的。
  
   在UPS采购中,用户没有必要过分强调对UPS常规输出指标的要求。应该说,负载对这些指标的要求是必要的,但并不苛刻,特别是输出电压稳定精度、频率稳定度、市电掉电时的切换时间等指标。过高的要求不仅没有必要,而且还可能因为要满足这些指标而影响UPS的可靠性、成本、价格、可维护性。例如电压切换时间,计算机类型的负载输入端大多是整流滤波电路,它从输入端吸收电流是断续的,每10毫秒就有4毫秒左右的供电中断时间,1秒钟内就有100次供电中断,开关电源的输入端电容容量很大,20毫秒的电源中断丝毫不影响负载的正常运行。又例如频率稳定度问题,在电池供电时,任何结构形式的UPS都是稳频的,此时是电池通过逆变器向负载供电,逆变频率是由晶振电路决定的,没有什么差别。而在市电正常时,任何结构形式的UPS都是不稳频的,它的输出频率必须跟踪电网频率。对双变换在线式而言,如果此时它的输出频率是稳定不变的,那么当过载或者逆变器故障时,它会因为输出电压相位与市电不同而拒绝转旁路,这样的UPS是不能用的,因为它不能转旁路供电,大大降低了UPS系统的可用性,如果仍维持转旁路的功能,那么它就存在着烧毁逆变器的危险。所以,在UPS性能指标中只能讲电池供电时的频率稳定度,在市电正常时,只能讲频率跟踪能力和跟踪范围。下面列出的是计算机类型负载对UPS常规输出指标的一般性要求。
  
  
性能指标 负载要求
电压稳定精度 <±10%~±15%
波形失真度 <5%
三相电压不平衡度 <5%
频率跟踪能力 最大6%~8%(最好可预置)
频率跟踪速率 1Hz/s(最好可预置)
市电掉电时转换时间 <10ms
市电掉电后维持供电时间 视电池容量而定
市电恢复后电池再充电能力 UPS容量的十分之一(0.1c)

  
  
   另外,用户也不要简单地以结构形式判定各种UPS产品优劣。任何结构形式的UPS都不可能十全十美,当前市场上之所以有多种形式的UPS共存,说明各种结构形式的UPS都有其存在的条件和必要性。以后备式和在线互动式来讲,它们的输出电性能指标比较低,但能满足负载的要求,可是它的工作方式决定了可靠性必然比在线式高得多,而可靠性又偏偏是UPS最重要的性能指标。在小功率UPS市场上,后备式和在线互动式一直占有极大的市场份额,特别是近年来,在很多小功率UPS用户中,出现了特别钟情于在线互动式的倾向。
  
   在大功率UPS领域主要以在线式UPS为主,但是在什么是在线式UPS这个问题上,却存在着以偏概全、以点代面的误解。所谓在线式,是对UPS功能的一种定义,从工作原理看,在线式UPS的逆变器和控制单元随时都在监视并参与对输出电压的调整,从效果看,当市电掉电时,UPS输出电压的切换时间为零。电子机械和电力电子仪器制造商欧洲委员会(CEMEP)在它的《UPS EUROPEAN GUIDE》一文中,以及UPS欧洲试行标准都以更简单明了的“ENV50091-3”概括了在线式UPS的定义,文中说“在线式UPS,意为无论交流输入电源的状态如何,逆变器都会向负载供电……”。以此定义来判断在线式UPS,那么它应包括三端口(单变换)式、传统双变换式和双变换补偿在线式,如果强调只有传统变换(AC-DC,DC-AC)电路结构才是在线式,就等于否认技术进步,对用户选用UPS也会带来不利的误导。
  
   因此要想正确地评价UPS的优劣,需要全面地考查产品的各项性能指标,并特别关注它对电网(环境)的适应能力、输出电性能指标,以及输出能力和可靠性。
  
   电池管理技术
  
   蓄电池是UPS的心脏,不管UPS系统多么复杂,其性能最终取决于它的电池,如果电池失效,再好的UPS也无法提供后备电源。如何监视电池以精确地预测其临界失效期和如何延长电池的有效寿命,是保证UPS供电系统稳定、可靠的关键。
  
   对精确地预测其临界失效期,一般很少做到。有的UPS厂家已拥有技术,但真正应用于产品的不多,比如对每一节电池进行监测、单元电池定时充放电、某一节电池出现故障可以及时通知更换等,因为它们都成本太高,很少实际应用。因此对大容量的UPS需要采用人工维护,定时监测电池状况。
  
   既然不能精确地预测其临界失效期,那就尽可能延长电池寿命。大容量UPS的电池管理比较完善,对中小功率的UPS 厂家一般不太关注。当然随着技术的发展,有的UPS厂家已经在小至1kVA的机内设有丰富的电池管理技术。据研究,影响电池寿命的因素有:充电电流、充电电压、放电深度、环境温度、放电次数。针对这五个因素,一般有如下对策:
  
   ⑴充电器的性能:充电器的性能需大大增强,采用恒压恒流分段式充电技术,对电池进行最优充电,充电电流的纹波尽可能小,才能延长电池的寿命。最优充电电流随着电池容量的不同而不同,因此随着后备时间的不同、电池容量的不同要求充电器的充电电流可增加或减少。现在有的UPS厂家为了共用充电器,将充电器的功率做大,针对用户的实际电池配置,将充电器的电流调小。这样做的优点是可以满足不同电池配置的要求,缺点是浪费成本,同时如果限制充电电流的装置失效,或用户维护不当,就会损坏电池。用户看到的电池鼓起来,有些就是充电电流太大,电池热失控引起的。有的厂家以正常配置设计充电器的功率,后备时间过长的或过短的就无法照顾了。现在最好的方案是充电器模块设计,可并联、均流。不同的配置选择数目不等的充电器,既可节约成本,又可满足用户不同的要求。
  
   ⑵放电深度的控制技术:目前UPS厂家对电池的终止放电电压在各种电池容量、各种负载下均固定。这对大电流放电时电池能量不能充分利用,而小电流放电时又极易造成电池的深度放电,损坏电池。大电流、小电流是针对电池容量而言的,例如100AH的电池,当放电电流为0.5C,即100×0.5A=50A以上时称大电流放电;小于0.01C即1A的放电电流称小电流放电。小电流放电很容易造成涓流放电,使电池永久性地损坏。研究发现,电池的放电电流越大,电池所允许的终止放电电压越小;相反,放电电流越小,电池所允许的终止放电电压就越大。可见电池放电终止电压是可变的。随着技术的发展,有的UPS厂家已提出了电池放电终止电压自动调节技术,通过实时监测放电电流的大小,自动调节电池终止放电电压。这样既能保护电池,又能最大限度地使用电池的后备能量。
  
   ⑶环境温度补偿技术:研究发现,当环境温度升高时,电池组本身固有的“存储寿命”会逐渐缩短。例如:电池的预期寿命在环温为20℃时为10年,在环温为45℃时只有5年。如果选配有温度补偿功能充电器的UPS可以使电池的使用寿命延长30%~50%。因为当环境温度升高时,电池所允许的浮充电压阀值下降。此时,若浮充电压为固定,势必让电池组置于“过压充电”工作状态,加剧电池的化学反应,造成蓄电池中的水分子大量电解,放出氢气和氧气,电解液不断干涸,电池容量减少,从而缩短电池的寿命。环境温度补偿技术是指 UPS可以根据环境温度的不同自动调整浮充电压,从而不会使电池处于过充状态,延长了电池的寿命。
  
   ⑷放电次数:放电次数与电池寿命是相对应的,减少放电次数就是延长电池寿命。因此要减少电池放电次数就得尽量少转电池工作,适应电网能力强的UPS首当其选,如允许输入电压范围宽、输入频率宽等,以及对电网的处理能力。
  
   ⑸均浮充功能:研究发现蓄电池在正常使用过程中,会发生电解液液面位置、比重、温度的变化,各个电池的端电压、电池内阻的变化不均衡情况。这种不均衡情况会导致电池组输出电压过低或电池组内阻过大,长期下去会缩短电池的寿命。为防止这种不均衡情况不断加剧,在一定时间内,应提高充电电压,对电池单元进行充电,使各电池单元都达到均衡一致的状态,起到活化电池的目的,从而大大延长电池寿命。均浮充转换技术,就是根据对电池充电电流的检测及电池容量情况判断,自动进行电池均浮充转换。
  
   网络功能
  
   在计算机网络及通信事业迅猛发展的推动下,当今的UPS已发展成为一种智能化UPS。所谓“智能化UPS”是指能在UPS和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。它所主要完成的控制功能有:
  
   ⑴自动检测、显示、报警以及运行参数的设置功能:在UPS的运行中,当出现市电出现故障时,UPS会向由它供电的计算机网络传送“因市电出故障UPS正由电池组供电”、“电池电压偏低”等报警信号。当电池组的端电压下降到临界放电电压时,UPS向计算机网络发出“自动关闭操作系统”命令,设备在自动完成数据存储操作之后,再自动“关闭操作系统”,以确保用户的软件和数据的安全可靠。用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数(例如输入、输出的电压、电流和频率,UPS电池组的充电、放电和电压值显示,环境温度显示,UPS的输出功率及有关的故障、报警信息等)。此外,用户还可在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作。
  
   ⑵本地智能管理接口(RS232、干接点):先进的UPS上可向用户提供RS232、DB9、RS485等通信接口。对于大型UPS系统而言,UPS厂商应考虑在软件和附件的解决方案上突破传统的技术限制。例如,大型UPS一般要保护多台计算机,而且这些计算机可能分布较为分散,计算机与UPS之间的距离也可能比较远。在这种情况下,如仍采用串行方式,则系统的可靠性必然受到限制,很多情况下可能根本无法实现。但如果利用网络通信解决这一问题,则不仅在实现上易如反掌,其可靠性也是传统方法所无法比拟的。
  
   ⑶网络管理:专用电源监控软件支持SNMP网络管理,可支持管理平台及相应的管理。通过软件与附件远程检查UPS的状态、查询UPS的预警信息、进行电池校正试验等预防性功能都可以在UPS系统故障发生之前采取适当措施,是积极提高系统可用性的有力手段。
  
   ⑷网络通信:支持基于TCP/IP之上网络信息传送。
  
   未来UPS发展趋势
  
   ⑴电路设计的集成化和数字化:全数字控制的UPS是新一代UPS,它除具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点外,还符合当今节能、环保的要求,能大大降低产品的故障率。安圣电气率先提出了数字在线式UPS的概念。
  
   ⑵高可靠性的“冗余式”UPS供电系统:对于某些重要的用户而言,他们要求UPS供电系统的故障率非常低,最好其故障率为零。在UPS中可采用具有容错功能的冗余配置方案来解决这个问题。所谓“容错”特性,是指在整个UPS供电系统自动将有故障的机器“脱机”进行检修的同时,整个UPS供电系统必须继续向用户提供高质量电源。由于在冗余式UPS 供电系统中,采用了多台UPS组合起来共同承担向负载供电的任务,因此如何正确地解决好多台UPS输出的交流电源以同频率、同相位和同幅度的方式运行是能否成功地实现多台UPS冗余供电的关键。
  
   ⑶更加智能化:智能的发展是无止境的,这是UPS厂家奋斗的方向。
  
   ⑷高频化、小型化、高效率UPS:随着功率器件的发展,UPS也在持续地发展。选用性能更强、容量更大的功率器件,提高控制和驱动电路的集成化程度,例如应用大功率高性能的半导体器件IGBT,高集成度和控制功能更强的专用组件等。
  
   ⑸节能、高效,对市电无污染的绿色环保电源:在众多UPS品牌中,已经有多家曾提出过在线式UPS经济运行的设想和技术,如在线式UPS后备运行,即在电网电压条件好、UPS输入输出部分配置了功能很强的抗干扰电路环节和输入电压处在某一范围内时(可设置),通过智能开关把UPS设置在旁路运行方式,逆变器空载运行,这样一来,在线式UPS输入功率因数、输入电流谐波、效率、输出能力等各项指标存在的问题都迎刃而解了。
  
   总之,用户选用UPS时,应明确自己的供电要求和特点,对各品牌的UPS进行全面的分析和考察,要对UPS厂商的供货能力、UPS厂商的实力和维修能力做必要的考察;另外,产品本身的质量和技术性能只是产品的一个方面,如果没有相应的服务,其工作就不是完整的,随着UPS在中国市场的普及,UPS的服务与支持系统也在不断完善和发展,高可靠性的UPS系统加上完善的售后服务体系,将是满足广大UPS用户的根本保证。
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