UPS技术性能及可靠性研究

梁思思

摘 要：人们对计算机信息和数据的重视度日益提高，计算机能否安全运行与供电电源的好坏有密切的联系。因此，网络服务器等中心设备机房对供电系统的要求也随之不断提高。UPS是针对电源可靠性所研制的电源，对其工作原理进行了简要的描述，并探究了其技术性能和可靠性。

关键词：UPS电源；技术性能；可靠性；DSP技术

中图分类号：TN86 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.093

UPS也被称为“不间断电源”，是一种将直流电转换成交流电的系统设备，常用于单台计算机、网络服务器或一些电子电力设施中，为它们稳定且不间断地供应电力。通常，UPS能对电压过高或者过低提供保护，保证负载软、硬件不会受到损坏。储能电池可以给负载供电，对提高供电质量具有重要作用。因此，对UPS技术性能和可靠性进行研究具有一定的现实意义。

1 UPS的组成和工作原理

1.1 UPS的组成

UPS由电源输入电路、整流器、变换器、储能设备和开关这几部分构成。其中，输入电路包括主路、旁路、电池等；整流器用来满足系统的稳压功能；AC/DC变换器通过自耦变压器、全波整流、滤波等将交流电变为直流电，供给逆变电路。

1.2 UPS的类型及其工作原理

UPS有三种类型，即在线式、后备式和在线互动式。这里主要对在线式和后备式UPS进行简要介绍。

在线式UPS具有解决尖峰、浪涌、频率漂移等优势。如果市电的供应中断，电池组将通过逆变电路变成220 V、50 Hz的交流电输出，并且充电器用输出的直流电给电池充电，从而使输出电源不间断得到保证，对电源起到更好的保护作用。在线式UPS因其优势被广泛应用于数据中心或大型网络系统中。而后备式UPS常被应用于日常生活中，通过旁路开关直接输出。只有在市电断电时，电池组经过逆变电路逆变成交流电输出，特别适合对单台PC或工作站进行保护。

2 UPS涉及的技术及其性能

2.1 IGBT和PIGBT

逆变功率器件采用的是IGBT（一种绝缘栅双极性晶体管）。IGBT是由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它综合了这两者的优点，具有驱动力小、饱和压低的特点，可以降低逆变器的换流损耗。与IGBT相比，高效数字器件PIGBT的性能和可靠性有了很大的改进，提高了逆变器的可靠性和处理速度，逆变效率更高，可以达到98%～99%，而且热功耗很低，谐波分量小于1.5%，动态响应更好，使得输出的波形更好，对负载或接地系统等几乎不会造成干扰。

2.2 DSP技术和SMD电气集成模块

UPS通过硬件系统和微机系统对数据进行采集，用这些信号实现UPS的控制、调整、检测和保护。DSP技术的处理速度较快，是传统微处理器的12倍，同时简化了硬件线路，提高了UPS的可靠性，具有更强的瞬态反应能力。采用仿真技术、表面安装焊接技术的电路板使整机散热性更好，可靠性更高。

2.3 电池的保护功能

安全防护电池包括很多种，具有充放电实时监控、过流和限流保护功能，防止用户因过度充放电而对电池造成伤害；欠压预警可以使用户在较为关键的时刻作出处理；对电池设定定期自检的功能，将系统故障信息反馈给用户，引导用户在电池使用过程中以在线更换电池的形式应对相应故障问题，避免因电池故障造成损失。

在发挥电池保护功能的基础上，为了避免出现不规范使用问题，相关技术人员在设备操控过程中逐步加强了对DSP技术、SMD技术的应用，从而可以有效应对传统模拟控制环境下的多种问题，达到最佳的电池使用状态。

2.4 灵活、可靠的并联技术

为了使并机中的环流受到更有效的抑制，常常采用数字模块式环路直接并联技术。该技术能够在保持UPS不断电的情况下实现并机扩容或维修，使不同功率的UPS直接并联。

2.5 控制和诊断软件

控制软件不仅具有信号采集的功能，还具有对运行状态的自动监测、调整和管理功能。智能化的UPS应该要有专家系统故障诊断软件，以便当系统出现故障时，能对故障进行诊断、推理，判断故障的位置和性质，然后显示给操作者或维修工程师，便于更快速地修复，并自动存储记录信息。

3 UPS可靠性的研究及提高方法

为了使电源供电的可靠性得到提高，保证重要设备的正常工作，常常用两台或者两台以上的单机构成双机或者多机的UPS系统。这样，即使单台UPS发生故障，UPS系统也不会中断供电。同时，也可外设旁路切换装置，避免因逆变器故障而造成UPS供电中止。

3.1 外设旁路切换装置

逆变器一旦发生故障，旁路交流电源就利用接触器和静态开关自行切换，同时带负荷运行，保证UPS可以持续供电。为使旁路电源稳定工作，旁路电源采用两个回路供电，采用主电源和辅电源相结合的方式。只有在主电源正常时，才可自动切换回主电源运行。STS也被称为“静态切换开关”，是一种电源二选一自动切换系统，能够不间断地在不同输入电源间来回切换，为单电源负载提供双母线供电。

UPS主供电回路和旁路电源依靠接触器、静态切换开关实现其功能。如果主供电回路出现故障，就需要转换到旁路电源。此时，要将旁路电源侧的静态开关闭合，保证主、旁电源同时处于工作状态，然后将主回路侧的接触器切断，在闭合旁路侧接触器的同时断开旁路侧静态开关，使旁路电源供电。

3.2 采取恰当的方式连接

3.2.1 初级并联方式

这种并联方式是两台UPS共用一组静态旁路开关，同时增设了并联柜来调控负载电流，进一步实现并联。要保证UPS切换的一致性，就要用同组静态开关取代原来各电源上的静态开关。与单个电源和串联热备份的方式相比，这种方式虽然使UPS可靠性得到了很大的提高，但是依然存在一定的缺陷，比如对于非线性负载，容易引发逆变器烧损；一旦静态开关自身出现问题，整个供电系统的输出便会出现异常。

3.2.2 高级并联方式

高级并联方式主要采用的是冗余式并联方式，负载分配很均匀，设备的利用率很高。整个系统要依靠导航UPS输出脉冲。一旦导航UPS停止工作，下级的UPS会自动成为导航器；上级的UPS恢复稳定后，将继续控制其他UPS；如果系统中非导航的UPS发生故障，那么将自行退出。采用此连接方式能够保证整个环路中的UPS由同一台UPS控制，使得不同的UPS的输出动态特性和参量的同步性有了很大提高，并且解决了初级并联中较难解决的内部环流问题和静态旁路开关的一致性等问题。

3.2.3 日常的检查和维护

需要对UPS主机进行定期的除尘和防尘操作，同时对连接插件的接触情况进行检查，并做好记录。

4 结束语

供电系统的供电质量、稳定性和效率与UPS工作的可靠性有十分紧密的联系。因此，相关研究和技术人员需要从UPS的技术性能出发，加强其可靠性研究，寻求提高UPS工作可靠性的改善措施，从而提高其运行水平。

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〔编辑：刘晓芳〕