5 經濟模式UPS的性能

如前所述,經濟模式UPS實際上是多方式雙變換式UPS,有4個工作方式(經濟方式、雙變換方式、蓄電池方式和旁路方式),其中經濟方式和雙變換方式是正常方式,這兩種方式根據(jù)市電的情況互相轉換。工作于經濟方式和雙變換方式時,UPS的電源質量分別為VFD和VFI。這是國際UPS行業(yè)近期提出的“多正常方式”UPS的概念,即一臺UPS可以具有IEC62040電源質量分類的兩種質量。在兩個正常方式下的電源質量的定義和保護性能參見表1。

顯而易見,在經濟方式(VFD)中,系統(tǒng)效率大大提高,但保護性能也大為降低,而且系統(tǒng)輸出電壓和頻率均依賴于市電電壓和頻率。然而,經濟模式UPS并非永久性地工作于VFD。當市電電壓和頻率在允許范圍內時,工作于經濟方式(VFD),獲得最高的效率;當市電電壓和頻率超出允許范圍內時,工作于雙變換方式(VFI),獲得最高等級的保護性能。

　　6 經濟模式UPS的可靠性

經濟模式UPS實際上是增強型的雙變換UPS,沒有引入新的元器件,而是在新的獨特的方式下使用雙變換UPS原有的元器件。獲得了最高的可靠性。

(1) 經濟模式UPS以新的工作方式獲得了最高可靠性

經濟模式UPS有四個工作方式,正常時運行在經濟方式下,當情況變化時,可以根據(jù)其工作狀態(tài)、系統(tǒng)告警狀態(tài)和系統(tǒng)故障情況轉換到雙變換方式或蓄電池方式或旁路方式,共有三個可能的轉換。而常規(guī)雙變換式UPS僅有兩個可能的轉換,即從雙變換方式轉換到旁路方式和蓄電池方式。因此,經濟模式UPS不易陷入系統(tǒng)故障狀態(tài),比較可靠。

假設一個常規(guī)雙變換式UPS和一個經濟模式UPS的主輸入和旁路輸入都是分開的兩路饋電線。常規(guī)雙變換式UPS正常時運行在雙變換方式,當主輸入市電故障時,轉換到蓄電池方式保護負載,直到蓄電池能量耗盡,然后轉換到無保護的旁路方式。

經濟模式UPS正常時運行在經濟方式,當主輸入市電故障時,可以在經濟方式下繼續(xù)運行,由旁路電源直接供電,當旁路輸入電源也發(fā)生故障時才轉換到蓄電池方式。實際上,經濟模式UPS在蓄電池能量耗盡之前,可以承受市電電源和蓄電池這兩個電源的斷電故障。這就可能爭取到最大可用性。

(2) 經濟模式UPS延長了電子機械元件的使用壽命

電子機械元件,例如風扇和接觸器等對UPS運行非常重要,但是,這些元件中的運動部件會因磨損而發(fā)生故障。經濟模式UPS可以使這些元件的應力減小,提高可靠性。例如風扇在經濟方式中可以關機(當蓄電池充電時除外),因此延長了風扇的壽命。

此外,運行在經濟方式時,整流器和逆變器處于特殊的準備好狀態(tài),均不帶負載,僅控制電路運行,承受很小的電氣應力和熱應力。因此可延長壽命,提高可靠性。

7  經濟模式UPS的轉換時間要求

UPS的轉換時間是指將負載從逆變器輸出轉換到旁路電源(市電)或從旁路電源(市電)轉換到逆變器輸出需要的時間。對于經濟模式UPS,轉換時間包括檢測市電電源超限需要的時間和轉換開關動作時間,轉換時間就是負載斷電的時間。如何評價轉換時間是一個非常重要的問題。目前IT行業(yè)采用的評價工具是ITIC曲線。

ITIC曲線是美國信息技術工業(yè)委員會(Information technology industry council)針對計算機對電能質量的要求,提出的電壓容限曲線,包括相關的4種電壓擾動(電壓下降、電壓上升、尖峰脈沖和斷電),以防止造成負載故障和損壞。

在任何情況下,UPS的輸出電壓必須保持在ITIC曲線規(guī)定的可接受的安全區(qū)內。

ITIC的前身是計算機和商用設備制造商協(xié)會CBEMA(Computer & business equipment manufacturer association),ITIC曲線過去稱為CBEMA曲線。ITIC/CBEMA曲線就是IT設備抗*容限曲線。

如圖3所示,ITIC曲線規(guī)定了IT設備運行的無中斷區(qū)、禁止區(qū)和無損害中斷區(qū),無中斷區(qū)的穩(wěn)定電壓容限是額定電壓的110%和90%。無中斷區(qū)的下包絡線的起始時間是20ms,表明IT設備的斷電耐受能力應為20ms。在禁止區(qū)會損壞設備,在無損害中斷區(qū)設備不能正常運行,但不會損害。計算機及其控制系統(tǒng)設備必須工作于無中斷區(qū)。

經濟模式UPS的轉換時間必須小于IT設備允許的斷電時間。圖4為ITIC曲線和兩個經濟模式UPS輸出電壓特性曲線。經濟模式UPS1的轉換時間為2ms,經濟模式UPS2的轉換時間為500ms。顯而易見,經濟模式UPS1輸出電壓可以很好地保持在無中斷區(qū)內,而經濟模式UPS2就可能引起IT設備供電中斷。

IT設備內部的電源單元(PSU)都具有一定的“穿越時間”。穿越時間是指在輸入電源中斷期間,IT設備還可以繼續(xù)運行的時間長度。通常是利用電容器存儲一定的能量,輸入電源中斷時放出,供給負載。額定穿越時間是指單電源單元在滿載時的穿越時間。在相同的負載情況下,雙電源單元的穿越時間是單電源單元的2倍。

根據(jù)ITIC曲線(圖3)的要求,IT設備的電源單元(PSU)的穿越時間至少應為20ms。IT設備雖然允許中斷20ms,但是UPS工作方式的轉換應越快越好。因為PSU斷電時間越長,當PSU再次接受電源時,吸收的浪涌電流越大。浪涌電流很大時,在UPS至IT設備PSU之間的導線上壓降增大,可能導致PSU輸入電壓過低。此外,UPS轉換完成后,多個PSU同時加載,還有可能造成UPS的過載,導致IT設備斷電。不同的經濟模式UPS的轉換時間不同,最快的只有2ms,轉換過程對靈敏負載無影響。

8 經濟模式UPS的浪涌保護性能

經濟模式UPS在正常方式下,由旁路電源(市電)為負載供電,而整流器并沒有停機,逆變器控制電路始終正常運行,逆變器輸出也沒有斷開,只是沒有輸出功率。因此,UPS的交流輸入和輸出濾波器、直流環(huán)節(jié)濾波器都接在電路中,其中的電容器有助于減少輸入電壓瞬變的幅度。所以,經濟方式UPS對市電的高頻*的抑制能力與雙變換UPS基本相同。圖5為經濟模式UPS中電容器吸收輸入浪涌電壓的簡化圖。

經濟模式UPS的浪涌保護性能是非常珍貴的。UPS設備的市電直供系統(tǒng)沒有這個性能,需要采取其他措施解決浪涌保護問題。

9 經濟模式UPS對市電的要求

如前所述,經濟模式UPS正常時運行于經濟方式,由市電直接供電,當市電超出ITIC曲線的無中斷區(qū)時,可以在2ms內轉換到雙變換方式。轉換過程對負載沒有影響。

然而,如果市電質量較差,導致經濟方式和雙變換方式之間頻繁轉換,或長時間運行在雙變換方式,不但不能達到節(jié)能的目的,而且還有一定的風險。因為每次轉換到雙變換方式時,全部負載突加到逆變器上,對逆變器產生沖擊,多次沖擊會導致逆變器故障。此外,即使在有市電且整流器可以正常工作的情況下,轉換到雙變換方式的瞬時是由蓄電池供電的,蓄電池多次瞬時放電會降低壽命。

以上情況一般發(fā)生在從嚴重過載的公共電網引入市電,或性能較差的發(fā)電機組供電,或者IT設備和空調設備采用同一變壓器供電的場合。因此,經濟模式UPS實施前,應對市電配電電路進行考察和測試。

目前我國大型數(shù)據(jù)中心大多采用專線引入市電,市電停電事故較少。一般來說,對于采用經濟模式UPS是可靠的。

值得指出的是,如果UPS安裝了經濟模式UPS而未能獲得收益,也不會有什么損失。因為經濟模式UPS很容易由用戶激活或取消,如果市電質量很差,使UPS工作于雙變換方式即可。

10 結束語

電源的高效率和高可靠性是互相排斥的兩個指標。而經濟模式UPS同時實現(xiàn)了最高效率和最高可靠性的目標。經濟模式UPS典型的系統(tǒng)效率是99%,減少了能源損耗。經濟模式UPS與常規(guī)雙變換式UPS相比,沒有增加新的元件,且降低了關鍵部件的應力,獲得了最高的可靠性。采用經濟模式UPS是數(shù)據(jù)中心節(jié)能的重要措施。

　　作者簡介

劉希禹,中訊郵電咨詢設計院有限公司教授級高工,長期從事通信電源研究設計工作。曾獲全國科技大會獎和省部級科技進步獎多項,出版專著二部,發(fā)表論文90余篇,多次參加國際電信能源會議(INTELEC)并發(fā)表論文。享受國務院政府特殊津貼。

編輯：Harris

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