UPS不間斷電源在計算機房設備中的應用及工作原理

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1 UPS 的分類以及主要功能

目前 UPS 的種類繁多，這些 UPS 除了額定功率的區別以外，按照其基本工作原理，可以分為三大類：第一，離線式（OFF LINE），即 UPS 處于備用狀態，一旦故障發生，立即工作；第二，在線式（ON LINE），即 UPS 不斷處于工作狀態并且一般是并網工作；第三，在線互動式
（Interactive），這種 UPS 是實時監控電網，并且更具具體情況在備用和工作之前進行切換。本文主要是討論第二類在線式 UPS 的工作原理、方案設計及其在計算機機房中的應用與維護。

2 在線式 UPS 在供電系統中的工作原理

2.1 輸入輸出端的配線與空氣開關選擇
輸入輸出的配線選擇，對于整個 UPS 工作系統是很重要的。選擇的線徑太粗會造成一定程度上的浪費；而選擇的線徑太細，不能夠在合理的工作電流之上留有裕量，會導致配線發熱，引起無法預料的后果。選擇適當的輸入輸出配線，需要考慮金屬導線的電氣特性，防火等級，耐溫等級等等。一般的，多股銅芯配線的散熱量為 6 A/mm。在計算機機房設備系統中，我們選用多股銅線配線，如表 1 所示。

2.2 在線式 UPS 的工作原理
在計算機機房設備這種重要的應用場合中，在線式UPS 是作為供電系統輔助和應用的最佳選擇。在線式UPS 除非故障狀態下，是不斷的處于工作狀態之下的。電網電源分成兩路，一路通過 AC-DC 充電器對蓄電池組進行充電，以保證蓄電池組后備供電的能力；另一路通過帶有功率因素校正的整流器（Power Factor Corrector——PFC），將 220 V 的市電轉換為直流電，然后再通過DC-AC 逆變電路，將直流電轉換為 220 V 的交流電，供給計算機機房設備。
當電網電壓正常時候，DC-AC 的工作電源是由電網電壓輸入到 PFC 整流器獲得的，然后逆變輸出，供給計算機機房。
當電網電壓出現異常情況時刻，例如電網電壓高于264 V 或者低于 175 V（220 V+/-20%），或者斷電時刻，蓄電池組直接通過 DC-AC 逆變器將蓄電池組的直流電轉換為交流電，供給計算機機房設備。
旁路開關是在 UPS 的負載過重的情況下或者逆變器出現故障停止工作的時候接通，以保護 UPS 的主電路部分。當上述故障恢復到正常狀態以后，旁路開關立即翻轉為正常的工作狀態，在線式 UPS 工作系統如圖 1 所示。

3 在線式 UPS 的主要電路設計

下面介紹一種單相小型在線式 UPS 系統，本系統總共分為 DC-AC 全橋逆變模塊、主控制電路模塊、隔離驅動模塊、信號采樣檢測模塊、濾波系統、輔助電源。
輸入濾波部分主要是將經過蓄電池和配線的直流電壓和電流進行簡單濾波，由于 PFC 整流器輸出的直流電壓和電流相對來說較理想，所以 UPS 的輸入濾波部分也并不復雜，通常由電解電容和高頻電容組成，加上安規電路后，都能夠滿足輸入電壓和電流的純凈。一般根據輸出功率的大小和輸入蓄電池的電壓來確定電解電容和安規器件的選擇。
主電路采用大功率 IGBT 全橋拓撲逆變電路，相比較來說，有很大的功率富余量，在輸出動態范圍內輸出阻抗非常小，具有快速響應的特性。由于采用高頻調制限流技術，及快速短路保護技術，使逆變器無論是直流供電電壓的瞬變，還是負載迅速變化的沖擊，都可以保證 UPS 安全可靠地工作。

4 計算機機房設備中 UPS 的維護

4.1 蓄電池的維護以及注意事項
蓄電池在整個在線式 UPS 系統中是至關重要的。UPS 之所以能夠在電網異常甚至斷電的時候提供不間斷的電源，正是因為蓄電池源源不斷的提供能量。目前，小型 UPS 大多數使用的是免維護，全密封的鉛酸蓄電池。整個蓄電池的成本占據了整個在線式 UPS 系統的 1/3 到1/2。維修經驗表明，在線式 UPS 系統的蓄電池失效的主要表現為輸出端的電壓不夠，容量隨著時間的使用會降低，或者是瞬間的放電電流不能夠滿足啟動電流的要求等等。通常的，計算機機房系統所使用的在線式 UPS 系統的壽命在 5~7 a 年左右。但是在國內維修反饋中，有些在線式 UPS 系統的蓄電池在投入使用了不到一年就出現了各種問題。出現這樣的問題的原因追究起來，一方面是因為部分蓄電池本身的質量問題，另一方面，在系統投入使用之后，沒有進行相關必要的維護和檢修，使得蓄電池的工作狀態不清晰，成為了整個系統的安全隱患，造成不必要的損失。在新的在在線式 UPS 系統投入使用后，必須保證系統所處的環境溫度以及適度的適宜。更重要的是，需要定勻時候，就要對各個電池進行均勻充電；除此之外，需要定期的對蓄電池進行容量測試和深度放電，使得電池組的性能能夠得到正確檢測，保持電池的活性。

4.2 蓄電池的維護以及注意事項
目前，計算機機房系統使用的在線式 UPS 系統基本上都是智能型系統。對于環境要求比較高，溫度偏高會直接導致 UPS 系統的過熱，引起系統本身的保護，從而停止輸出。UPS 在使用過程中，各個參數不能夠隨意更改，以免出現輸出的混亂以造成不必要的損失。不能夠令 UPS 系統工作在超負載的情況之下，否則會引起過度發熱，輕則自動關機，不再工作，重則使得逆變功率部分發生損壞。在斷電時刻，應該先切斷負載與 UPS 系統的連接，等待 UPS 系統正常開啟以后，再啟動負載，否則會直接導致多負載的沖擊電流和供電流，造成 UPS 電源瞬時過載，這樣的結果也會嚴重損壞逆變器的功率部分。

5 結語

在線式 UPS 不間斷電源對計算機機房設備正常運行非常重要，在對于計算機網絡服務系統的工作起著不可替代的作用。正確使用和維護好 UPS 能夠提高計算機機房設備的數據安全以及設備的安全使用。

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電壓 / 容量	輸入	輸出	輸入三相	輸出三相
功率	AC-220 V	AC-220 V	AC-380 V	AC-380 V
2 kV	2.2 mm	2.0 mm
5 kV	5.5 mm	3.5 mm
10 kV	15.0 mm	8.0 mm	6.5 mm	8.0 mm
20 kV	38.0 mm	30.0 mm	25.0 mm	30.0mm