解析UPS应用误区(图)
2007/1/20 15:35:37 电源在线网
UPS的品牌种类繁多，在性能上各有千秋，这就给用户提出了一个问题：什么样的UPS最好？即什么样的UPS在性价比上最优秀呢？是否有一个客观标准呢？当然，客观标准是有的，那就是UPS的性能指标。但是，由于UPS是一个专业性极强的领域，不少用户虽然使用UPS多年，对UPS的这些指标还是不清楚。下面笔者结合用户在使用中常见的问题，对这些指标进行分析，同时也对用户在使用中存在的很多模糊认识进行澄清，以供读者在选择UPS产品时参考。
价格低并不意味性价比高。
价格与产品质量
多年来用户对UPS的价格一压再压，迫使UPS的价格一降再降，于是有些用户形成了一种压价的习惯：不论什么产品，不论在什么条件下，好像不压价就会吃亏，而且还认为既使将价格压得再低，供应商也照样盈利。 这在小功率产品上显得特别突出。而另一方面，UPS供应商为了开辟市场，对用户的压价“政策”也习以为常，在不赔本的情况下也就步步退让，这似乎是一种比较“融洽”的状态。但价格总是有底线的，一旦产品的价格被压到一定程度，在供应商无法承受的情况下，局面就有了变化。
UPS供应商为了中标或进入某一行业，虽然会接受较低的价格，但由于价格确实已压到无法承受的程度，只好“另辟捷径”，这就给用户埋下了隐患。
厂商会有哪些应对办法呢？厂商最常见的手段是从UPS主机上打主意， 使原来的价格大幅度降价，但却给用户埋下了隐患。比如, 已往UPS的过载能力普遍为: 过载到 125%，可坚持10分钟,过载到150%，可坚持30秒。但这些降价后的产品过载能力大大降低(参见下表)，由此可以看出机器降价的原因。机器价格下来了，事故隐患上去了。
选择廉价的电池上以及降低服务质量也是厂商常常采取的办法。由于采用质量差的电池，常有电池需要更换，这就牵涉到UPS停机问题，在那些UPS一天24小时连续服务的地方，就给用户出了难题，停机会给用户带来损失。
因此，用户对产品的过分压价，一般不会带来什么好的效果，从长远看，这种方法更要三思而后行。
由于电容的耐压能力不足，实际使用时常常达不到标称的输入电压范围。
UPS的输入电压与频率
输入电压范围一直是用户很关心的事情，用户总是希望UPS允许的输入电压范围越大越好，这在小功率时已形成了习惯，尤其是后备式UPS。在小功率情况下实现较大范围的输入电压通常是容易的， 因为功率小就可以用一个多抽头的变压器通过继电器触点进行调节，有不少后备式UPS可允许输入电压变化±30%，甚至更宽。 但这种用抽头变压器与继电器调节输入电压的办法只适合于很小的功率，最大也会不超5kVA的功率。否则，在大功率设备中就必须采用接触器，再和大功率变压器结合起来就会使UPS变得非常庞大，价格也会大幅度增加。因此，一般不会采用这种方案。
而在大功率UPS中，普遍采用的是380V三相三线制可控硅全桥整流器，利用相控的方法来稳定市电的输入电压。那种声称可允许输入电压变化±30%或以上的产品，一般都是基于可控硅的相控原理而不考虑异常情况提出的，这虽然满足了用户的愿望，但却埋下了隐患，导致电容爆炸的事件屡屡发生。鉴于此，追求输入电压范围宽的用户不可盲目听信厂商宣传，一定要弄清电容的耐压情况，因为随着电容耐压的提高也抬高了机器的造价。换言之，售价也相应抬高了。
在输出电压频率方面，正常工作情况下UPS的输出电压频率总是跟踪输入的，因此输入电压频率变化范围太宽了对负载没有好处，尤其是频率下移的影响更大。比如有的UPS声称它的允许输入频率范围是±10Hz，实际上这种提法的根据并不充分也无必要，其根本原因是：
1. 国家标准GB/T15545-1995“电力系统频率允许偏差”规定：电力系统正常运行频率允许偏差值为±0.2Hz，当系统容量较小时，其偏差可以放宽到±0.5Hz。实际上，我国一些大区系统已有能力保持正常频率偏差值为±0.1Hz以内。
2. 一般柴油发电机在频率发生这样大的变化时，其输出电压就已经非常不正常了。
3. 输入频率范围越宽，对输出特性影响越大。因为很多负载是非线性的，不是感性就是容性。
过载能力是UPS的最关键指标之一。
UPS的过载能力
过载能力是UPS的关键性能，因为在市电和负载正常时，UPS只是起稳压器和滤波器的作用，而这个功能用一台廉价的交流稳压器就完全可以实现。因此，如果UPS只起这么一点点作用那就不值了。所以UPS要点就在: 市电异常时UPS要能不间断地接续上去，负载异常时UPS要能酌情处理，即对于一般的过载要能经受得住，不要一过载就轻易转旁路，因为旁路属于应急供电方式，“应急”含有“仓促应付”的意思，既然“仓促应付”，就是说质量和可靠性是没有保障的。因此，尽量减少切换到旁路供电的几率是保证可靠供电的关键，其中过载能力就是一个重要指标。
过载能力降低是如何造成的呢?主要是由于降低了价格昂贵的功率器件等级而造成。因为过载能力的大小直接受制于功率器件模块的温升，温度太高是导致功率器件失效的主要原因。如图6所示，功率器件模块大，其热容量就大，如果模块（a）度达到150℃需10 分钟，而功率模块（b）由于器件功率等级低，热容量小，在和（a）同等过载量的情况下，只要1分钟就可使模块温度达到150℃，这时如不及时切换到旁路就有烧毁器件的危险。如同样是进口名牌40kVA的UPS，有的采用了300A的IGBT模块，也有的只采用了150A的IGBT模块，在功率上就差了一倍！随之造价也就降下来了。同样的产品，用户当然不会要150A的这种，但又无法知道内部功率器件的规格，尤其是机器未买之前，这时只有通过产品介绍中的过载能力来判断内部功率器件的规格，而且这种方法非常准确。
这种利用降低功率器件规格来达到降价目的的做法，一来降低了机器的可靠性，二来也给用户的工作埋下了隐患。
UPS的切换时间只对离线式有意义。
系统切换时间
UPS的转换分几种情况：市电异常时、负载异常时、电路异常时、负载异常和电路异常消除时。但不论在哪一种异常的情况下，都希望UPS不能间断供电，下面就分别进行讨论。
市电异常时 不少用户最关心的是市电异常时的切换时间要保证为零。对于在线式UPS来说，在市电异常时电路的相应开关并未进行任何切换动作，所以也就不存在任何切换时间，那为什么有些用户还非常担心这个指标呢？这不得不追溯到后备式UPS，在早期的PC机使用中，很少有需要大容量UPS的场合，而用得最多的几乎都是小于1kVA的后备式UPS。在市电故障时，后备式UPS必须通过转换开关由市电供电切换到逆变器供电，如图2所示。而这个切换开关是用中间继电器充当，原来的产品都将这个切换时间限制在3ms以内，但实际上在测试中的切换时间有的就达到了45ms之长。一般也很少有小于10ms切换时间的产品。因此在这些用户的意识中不管是在线式还是后备式，只要是UPS都是这样的。由于没分清在线式和后备式电路结构的区别，所以市电断电时的切换时间也就成了一个虽然重点关注的问题。
负载异常时 当负载过流或短路时，由于逆变器再也无法承担这样的重负就需要切换到旁路供电。由于过载有一个时间限制，在这个过载时限内除了原来的频率跟踪锁相外，电压的幅度也开始跟踪市电，目的是为了使同相切换时的电压幅度尽可能地接近，电压幅度越接近，切换越平滑。UPS过载的能力越强，就会使幅度跟踪的时间越充裕，跟踪的效果就越好，也就越能保证零切换。切换有两种方式：一种是逆变器后面的静态开关撤销触发信号的同时触发旁路静态开关，这种方式有时会出现环流；另一种是逆变器后面的静态开关撤销触发信号后还要延迟一段时间，以保证该静态开关完全截止后再去触发旁路静态开关，以避免环流的出现。但这个延时一定要恰当，延时短了仍会出现环流，延时长了又会出现间断现象。
电路异常时 包括电路元器件在内的电路故障是一种比较严重的情况，尤其是导致逆变器突然停止工作的故障，使电压幅度来不及跟踪调整。如果再遇上市电电压频率的瞬变，破坏了频率和电压的跟踪调整，使切换不能进行，但为了供电的继续，有的UPS有一个强迫切换环节，这时就会有一个间断时间，一般将这个时间控制在5ms以内。
负载异常和电路异常消除时 这是一个由市电向逆变器切换的过程。逆变器恢复正常后: 负载异常消除或电路故障排除后，逆变器重新启动（自动或手动启动），也存在两电压波形不同步而需跟踪一段时间的问题。一般这个时间都比较富裕，容易实现零切换。
UPS的冗余并联直接才能真正提高系统的可靠性与增容能力。
UPS的并联能力
为了提高供电的可靠性，在冗余并联技术问世前常采用热备份串连连接的方式，这种方式的特点是应用灵活，不外加设备，既使不同厂家、不同型号的UPS，只要有静态旁路，而且容量一样，就可以做这种连接，而且具有冗余的功能。不足之处是不能增容，一台机器过载转到另一台时也同样过载，利用这种方法很少有两台以上连接的例子。并联冗余方案的推出，有效地解决了增容和冗余的问题，直到现在仍然是一种最佳方案。它不但可以准确地实现负载均分，而且还有着成倍的过载能力。但随着应用范围的扩大，也表现出一些不足，比如在大容量的IDC机房中，有些场合的负载机柜呈长排摆放，而且很长。特别是有的UPS本身并联性能不佳，冗余的功能只好用互为备份的切换方法来实现，这就是双总线冗余结构的思想。另一方面，由于UPS的并联台数有限，目前最多是9台，在容量大且要求冗余量大的场合，也不得不采用此方案。还有一种场合就是，用户要求可靠性很高的大容量供电系统，但需几年的时间才可用满容量，利用双总线结构也有其优越性。
由上面可以看出，双总线冗余方案是从串联热备份冗余连接发展而来的一种改良方案。图3列出了三种冗余方案原理图，由图3中可以看出：
1. 串联热备份连接和双总线冗余连接的中间都有一个同步切换开关，不同的是串联热备份连接的切换是单向的，即不能互为备份；而双总线冗余连接的切换是双向的，可以互为备份，这是它的发展。
2. 双总线冗余连接并未跳出串联热备份的范畴，所以一个机器过载，既使切换过去也仍然过载，即机器虽然增加了几倍，但过载能力并无丝毫的增加。
3. 由于二者的中间都有一个同步切换开关而形成“瓶颈”，所以系统可靠性并未增加多少，而且该同步切换开关的价格几乎和一台同容量的UPS相当，甚至更贵一些，使用户投资增加。
4. 双总线冗余连接系统的增容必须是双倍的，比如UPS1增加一台20kVA的并联单机，UPS2也必须增加一台20kVA的并联单机，使用户的投资成倍增加，加重了用户的负担。
5. 很明显，并联冗余连接方案由于中间没有形成“瓶颈”的切换开关，不论是从直观上还是理论计算上都得出其可靠性比前二者高出一至几倍的结论，过载能力也显著增加，而且增容不必是双倍的。
由上面的简单比较可以看出，双总线冗余连接的性能确实比串联热备份连接好多了，但无论如何仍不能与并联冗余比美，只是在某些场合下是不得已而为之，或者从其他角度上看这样用更合适一些。就是说在一定的条件下采用这种方案不失为好的思想，若为了推销这种方案而不选择场合，就不一定能发挥出它的优点，甚至起到相反的效果。
价格低并不意味性价比高。
价格与产品质量
多年来用户对UPS的价格一压再压，迫使UPS的价格一降再降，于是有些用户形成了一种压价的习惯：不论什么产品，不论在什么条件下，好像不压价就会吃亏，而且还认为既使将价格压得再低，供应商也照样盈利。 这在小功率产品上显得特别突出。而另一方面，UPS供应商为了开辟市场，对用户的压价“政策”也习以为常，在不赔本的情况下也就步步退让，这似乎是一种比较“融洽”的状态。但价格总是有底线的，一旦产品的价格被压到一定程度，在供应商无法承受的情况下，局面就有了变化。
UPS供应商为了中标或进入某一行业，虽然会接受较低的价格，但由于价格确实已压到无法承受的程度，只好“另辟捷径”，这就给用户埋下了隐患。
厂商会有哪些应对办法呢？厂商最常见的手段是从UPS主机上打主意， 使原来的价格大幅度降价，但却给用户埋下了隐患。比如, 已往UPS的过载能力普遍为: 过载到 125%，可坚持10分钟,过载到150%，可坚持30秒。但这些降价后的产品过载能力大大降低(参见下表)，由此可以看出机器降价的原因。机器价格下来了，事故隐患上去了。
选择廉价的电池上以及降低服务质量也是厂商常常采取的办法。由于采用质量差的电池，常有电池需要更换，这就牵涉到UPS停机问题，在那些UPS一天24小时连续服务的地方，就给用户出了难题，停机会给用户带来损失。
因此，用户对产品的过分压价，一般不会带来什么好的效果，从长远看，这种方法更要三思而后行。
由于电容的耐压能力不足，实际使用时常常达不到标称的输入电压范围。
UPS的输入电压与频率
输入电压范围一直是用户很关心的事情，用户总是希望UPS允许的输入电压范围越大越好，这在小功率时已形成了习惯，尤其是后备式UPS。在小功率情况下实现较大范围的输入电压通常是容易的， 因为功率小就可以用一个多抽头的变压器通过继电器触点进行调节，有不少后备式UPS可允许输入电压变化±30%，甚至更宽。 但这种用抽头变压器与继电器调节输入电压的办法只适合于很小的功率，最大也会不超5kVA的功率。否则，在大功率设备中就必须采用接触器，再和大功率变压器结合起来就会使UPS变得非常庞大，价格也会大幅度增加。因此，一般不会采用这种方案。
而在大功率UPS中，普遍采用的是380V三相三线制可控硅全桥整流器，利用相控的方法来稳定市电的输入电压。那种声称可允许输入电压变化±30%或以上的产品，一般都是基于可控硅的相控原理而不考虑异常情况提出的，这虽然满足了用户的愿望，但却埋下了隐患，导致电容爆炸的事件屡屡发生。鉴于此，追求输入电压范围宽的用户不可盲目听信厂商宣传，一定要弄清电容的耐压情况，因为随着电容耐压的提高也抬高了机器的造价。换言之，售价也相应抬高了。
在输出电压频率方面，正常工作情况下UPS的输出电压频率总是跟踪输入的，因此输入电压频率变化范围太宽了对负载没有好处，尤其是频率下移的影响更大。比如有的UPS声称它的允许输入频率范围是±10Hz，实际上这种提法的根据并不充分也无必要，其根本原因是：
1. 国家标准GB/T15545-1995“电力系统频率允许偏差”规定：电力系统正常运行频率允许偏差值为±0.2Hz，当系统容量较小时，其偏差可以放宽到±0.5Hz。实际上，我国一些大区系统已有能力保持正常频率偏差值为±0.1Hz以内。
2. 一般柴油发电机在频率发生这样大的变化时，其输出电压就已经非常不正常了。
3. 输入频率范围越宽，对输出特性影响越大。因为很多负载是非线性的，不是感性就是容性。
过载能力是UPS的最关键指标之一。
UPS的过载能力
过载能力是UPS的关键性能，因为在市电和负载正常时，UPS只是起稳压器和滤波器的作用，而这个功能用一台廉价的交流稳压器就完全可以实现。因此，如果UPS只起这么一点点作用那就不值了。所以UPS要点就在: 市电异常时UPS要能不间断地接续上去，负载异常时UPS要能酌情处理，即对于一般的过载要能经受得住，不要一过载就轻易转旁路，因为旁路属于应急供电方式，“应急”含有“仓促应付”的意思，既然“仓促应付”，就是说质量和可靠性是没有保障的。因此，尽量减少切换到旁路供电的几率是保证可靠供电的关键，其中过载能力就是一个重要指标。
过载能力降低是如何造成的呢?主要是由于降低了价格昂贵的功率器件等级而造成。因为过载能力的大小直接受制于功率器件模块的温升，温度太高是导致功率器件失效的主要原因。如图6所示，功率器件模块大，其热容量就大，如果模块（a）度达到150℃需10 分钟，而功率模块（b）由于器件功率等级低，热容量小，在和（a）同等过载量的情况下，只要1分钟就可使模块温度达到150℃，这时如不及时切换到旁路就有烧毁器件的危险。如同样是进口名牌40kVA的UPS，有的采用了300A的IGBT模块，也有的只采用了150A的IGBT模块，在功率上就差了一倍！随之造价也就降下来了。同样的产品，用户当然不会要150A的这种，但又无法知道内部功率器件的规格，尤其是机器未买之前，这时只有通过产品介绍中的过载能力来判断内部功率器件的规格，而且这种方法非常准确。
这种利用降低功率器件规格来达到降价目的的做法，一来降低了机器的可靠性，二来也给用户的工作埋下了隐患。
UPS的切换时间只对离线式有意义。
系统切换时间
UPS的转换分几种情况：市电异常时、负载异常时、电路异常时、负载异常和电路异常消除时。但不论在哪一种异常的情况下，都希望UPS不能间断供电，下面就分别进行讨论。
市电异常时 不少用户最关心的是市电异常时的切换时间要保证为零。对于在线式UPS来说，在市电异常时电路的相应开关并未进行任何切换动作，所以也就不存在任何切换时间，那为什么有些用户还非常担心这个指标呢？这不得不追溯到后备式UPS，在早期的PC机使用中，很少有需要大容量UPS的场合，而用得最多的几乎都是小于1kVA的后备式UPS。在市电故障时，后备式UPS必须通过转换开关由市电供电切换到逆变器供电，如图2所示。而这个切换开关是用中间继电器充当，原来的产品都将这个切换时间限制在3ms以内，但实际上在测试中的切换时间有的就达到了45ms之长。一般也很少有小于10ms切换时间的产品。因此在这些用户的意识中不管是在线式还是后备式，只要是UPS都是这样的。由于没分清在线式和后备式电路结构的区别，所以市电断电时的切换时间也就成了一个虽然重点关注的问题。
负载异常时 当负载过流或短路时，由于逆变器再也无法承担这样的重负就需要切换到旁路供电。由于过载有一个时间限制，在这个过载时限内除了原来的频率跟踪锁相外，电压的幅度也开始跟踪市电，目的是为了使同相切换时的电压幅度尽可能地接近，电压幅度越接近，切换越平滑。UPS过载的能力越强，就会使幅度跟踪的时间越充裕，跟踪的效果就越好，也就越能保证零切换。切换有两种方式：一种是逆变器后面的静态开关撤销触发信号的同时触发旁路静态开关，这种方式有时会出现环流；另一种是逆变器后面的静态开关撤销触发信号后还要延迟一段时间，以保证该静态开关完全截止后再去触发旁路静态开关，以避免环流的出现。但这个延时一定要恰当，延时短了仍会出现环流，延时长了又会出现间断现象。
电路异常时 包括电路元器件在内的电路故障是一种比较严重的情况，尤其是导致逆变器突然停止工作的故障，使电压幅度来不及跟踪调整。如果再遇上市电电压频率的瞬变，破坏了频率和电压的跟踪调整，使切换不能进行，但为了供电的继续，有的UPS有一个强迫切换环节，这时就会有一个间断时间，一般将这个时间控制在5ms以内。
负载异常和电路异常消除时 这是一个由市电向逆变器切换的过程。逆变器恢复正常后: 负载异常消除或电路故障排除后，逆变器重新启动（自动或手动启动），也存在两电压波形不同步而需跟踪一段时间的问题。一般这个时间都比较富裕，容易实现零切换。
UPS的冗余并联直接才能真正提高系统的可靠性与增容能力。
UPS的并联能力
为了提高供电的可靠性，在冗余并联技术问世前常采用热备份串连连接的方式，这种方式的特点是应用灵活，不外加设备，既使不同厂家、不同型号的UPS，只要有静态旁路，而且容量一样，就可以做这种连接，而且具有冗余的功能。不足之处是不能增容，一台机器过载转到另一台时也同样过载，利用这种方法很少有两台以上连接的例子。并联冗余方案的推出，有效地解决了增容和冗余的问题，直到现在仍然是一种最佳方案。它不但可以准确地实现负载均分，而且还有着成倍的过载能力。但随着应用范围的扩大，也表现出一些不足，比如在大容量的IDC机房中，有些场合的负载机柜呈长排摆放，而且很长。特别是有的UPS本身并联性能不佳，冗余的功能只好用互为备份的切换方法来实现，这就是双总线冗余结构的思想。另一方面，由于UPS的并联台数有限，目前最多是9台，在容量大且要求冗余量大的场合，也不得不采用此方案。还有一种场合就是，用户要求可靠性很高的大容量供电系统，但需几年的时间才可用满容量，利用双总线结构也有其优越性。
由上面可以看出，双总线冗余方案是从串联热备份冗余连接发展而来的一种改良方案。图3列出了三种冗余方案原理图，由图3中可以看出：
1. 串联热备份连接和双总线冗余连接的中间都有一个同步切换开关，不同的是串联热备份连接的切换是单向的，即不能互为备份；而双总线冗余连接的切换是双向的，可以互为备份，这是它的发展。
2. 双总线冗余连接并未跳出串联热备份的范畴，所以一个机器过载，既使切换过去也仍然过载，即机器虽然增加了几倍，但过载能力并无丝毫的增加。
3. 由于二者的中间都有一个同步切换开关而形成“瓶颈”，所以系统可靠性并未增加多少，而且该同步切换开关的价格几乎和一台同容量的UPS相当，甚至更贵一些，使用户投资增加。
4. 双总线冗余连接系统的增容必须是双倍的，比如UPS1增加一台20kVA的并联单机，UPS2也必须增加一台20kVA的并联单机，使用户的投资成倍增加，加重了用户的负担。
5. 很明显，并联冗余连接方案由于中间没有形成“瓶颈”的切换开关，不论是从直观上还是理论计算上都得出其可靠性比前二者高出一至几倍的结论，过载能力也显著增加，而且增容不必是双倍的。
由上面的简单比较可以看出，双总线冗余连接的性能确实比串联热备份连接好多了，但无论如何仍不能与并联冗余比美，只是在某些场合下是不得已而为之，或者从其他角度上看这样用更合适一些。就是说在一定的条件下采用这种方案不失为好的思想，若为了推销这种方案而不选择场合，就不一定能发挥出它的优点，甚至起到相反的效果。
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