如何使用UPS提高供电系统的可靠性

本文作者:admin       点击: 2006-07-10 00:00
前言:

当前IT行业无不把供电的可靠性与稳定性放在第一位,这是因为数据中心和各种计算机机房的重要性越来越高,一旦供电故障就会影响一大片,造成的损失不可估量。因此用户就把对电源的要求提高到可用性的高度。可用性与可靠性一样,也可以用一个公式来描述,如式(1)所示:



式中:  A是可用性,其值是一个百分比。
MTBF是表明供电系统可靠性的平均无故障时间,单位是小时(h)。
MTTR是表明供电系统可维修性的平均修复时间,单位是小时(h)。

可靠性是指硬件系统多长时间不出故障,而出了故障后怎么办?并没有提及,因此对使用者贡献不大;而可用性则指的是在规定时间内其正常供电的百分比。它不但包括了硬件因数,而且也包含了人的因素。如式所示,如果系统的平均无故障时间MTBF=∞,MTTR就可忽略不计,可实现100%可用性目标;如果故障后的修复时间MTTR=0,那么供电系统的可用性也可以是100%。
当然,在单机工作的情况下实现100%的可用性是困难的。MTBF不可能是无穷大,但由于各种原因的限制采用一些切实可行的措施来提高可靠性和可用性倒是可能的。比如采用可靠性高的系统,双机冗余系统,N+X模块冗余系统等。从理论上讲是对的,但在实际设计时却往往由于一些概念上的误区而出现偏差。
  
稳压器与UPS组合供电方案

有些用户为了提高可靠性,就在UPS前面加一级交流稳压器以扩大对输入电压变化的适应范围。加什么样的稳压器好却是值得注意的,目前几种交流稳压器可有其适用范围,不能不加区别地随意使用。比如有的设计在UPS前面增加一级参数稳压器,如图1所示,原因是参数稳压器的可靠性高,但参数稳压器的可靠性高是有条件的,首先是输入市电的频率稳定度要高,再就是后面的负载非线性程度要小,而且稳压器的要容量要大于UPS一定值,比如2倍~3倍,有的甚至10倍等。

但在实际实施当中有的地方却远远不能满足上述条件:不但输入市电的频率在大负载的接入与退出时有瞬变,从而造成稳压器频频退出谐振状态,而且后面的负载功率比稳压器还大,如此等等,从而造成UPS被烧的事件屡屡发生,这也就降低了供电系统的可靠性与可用性。其结果是花大价钱去买故障。

UPS选型时的误区

有的用户出发点是好的,都是为了提高系统的可用性,从而优化供电效果。但由于基本概念不清楚,选择UPS时不是去看它的指标和性价比如何,而是去看什么机型,这就犯了大忌。因为在性能指标上去把关永远是不会失误的,若从机型上去选择产品就会陷入误区。比如买电视机若从指标上把关,提出清晰度高、音质好、外形美观轻巧和价格合理的要求,在任何时候都会买到最先进的产品,可以是平板电视、也可以是等离子屏电视和液晶电视;然而如果从机型上提要求,比如提出高质量的显像管、单枪三射束等要求,选型就被显像管和三射束限定死了,任何时候也买不到等离子屏电视和液晶电视,因为这种结构既没有显像管也没有射束,结果事与愿违,把落后的东西搬回了家。选择UPS又何尝不是如此,如果从机型和结构上去选型,自以为得意,岂不知在津津乐道之余埋下了隐患。

在UPS市场竞争非常激烈的今天,为了销售的目的,各厂家都在想方设法挖掘产品的亮点,以战胜对手而取得订单。在此情况下,用户如不保持清醒的头脑,就会陷入误区而做出事与愿违的事情。下面是值得注意的几个例子。

1.钟情于工频机UPS,排斥高频机UPS
一般说,任何事物都有一个发生、发展、高潮和退出历史舞台的过程。由于新材料、新器件和新电路的出现与发展,原来老的电路将被新电路代替。UPS也是如此,工频机在前几十年为IT事业做出了不朽的贡献,而在实际应用中也暴露出一些缺点,比如工频机由于输入功率因数低而使前面的发电机功率必须数倍于它、由于效率低而使机内发热厉害、体积大、重量重和价格贵而使现代机房的楼板承重受到威胁。但由于当时还没有解决的好办法,也只好继续应用下去。高频机UPS的问世和成熟,已成为工频机的替代品,比如它的输入功率因数高,效率高,体积小、重量轻和可靠性高,使得前置发电机的容量明显减小、机内温升明显减低、使机器的可靠性明显提高、机房承重的负担明显减小、机房的蒸汽型和美观性得到明显的改善,这已成为不争的事实。但由于某些用户的怀旧心理和某些销售商的误导宣传,使得有些用户陷入误区,尤其是用一些不恰当的例子去证明工频机比高频机好,更使用户陷入迷雾之中,甚至有的用户在标书中写出了工频机为惟一选型的机器,并有的提出如果UPS没有输出隔离变压器就没有投标资格,等等。

事实如何呢?恰恰相反。原因是:高频机是UPS发展的趋势,从工频机到高频机是一个不易攀登的台阶,工频机容易仿制,而高频机就不那么容易,如果不是自主开发的产品,做起来就很困难。因此,在高频机还没成熟之前,只好还保留着工频机作后盾。比如一位用户的负责人“证明”说:“工频机就是比高频机可靠”,其例子是:该系统买了一批高频机UPS,装机后处处出问题,故障事件连续不断;不得已,该厂家将自己的高频机收回,全部换上了自己的工频机,果然效果好多了,故障率明显减少了。于是就给了这位领导上面的这个印象。

实际上,上面这个例子恰恰说明了这个厂家的高频机不成熟。而高频机成熟了的厂家早已将工频机淘汰,如果用这个厂家的高频机UPS去替代上述厂家的高频机,若仍是故障百出,那就证明高频机不如工频机;而上述的例子是用自己的矛去扎自己的盾,所以不能说明问题,也对用户造成了误解。

由于有的厂家高频机不成熟,不得不主推工频机,对工频机UPS的宣传亮点就是输出隔离变压器,说这个变压器抗干扰能力强、能缓冲负载的突然变化、能提高UPS的可靠性和能适应电网的大范围变化等。还说高频机由于没有变压器,就没有这些优点。事实如何呢?从功能上讲,负载要求UPS的输出必须具有良好的动态性能,换言之,UPS的输出要跟得上负载的变化,跟进的速度越快,就说明UPS的性能越好。如果UPS把负载的变化当成干扰给抗住了,那么这台UPS也就不是UPS了,成了电抗器,就没法给负载供电了!所以工频机UPS输出变压器的工能就是变压和产生零点,不允许有任何缓冲的功能。说这个变压器可以抗干扰是一种误导。当然三相UPS的变压器具有抑制三次谐波的功能,但必须是三角形变星形结构,而这里谈的绝大多数是小功率的单相机。话又说回来,即使是三相机,一般都没有输入变压器,而三次谐波都来自输入端,放在输出端的变压器对输入没贡献,最多抑制一下负载端造成的三次谐波。由于这个变压器的存在,则增加功耗3%,加重了机内温升,降低了机器的可靠性。

说“这个变压器可使UPS适应电网的大范围变化”更是不可思议。因为是不是能适应电网的大范围变化这是输入电路的事情,和逆变器没有任何关系,和逆变器后面的变压器就跟没关系,如图2所示。
所以这个功能也是没有根据的,因此厂家宣传的这些特殊性能都是不存在的,反而是只有害处没有好处。

一些工频机UPS的宣传所以给变压器冠上了如此多的特点,其根据是高频机UPS没有变压器,这就没法和有变压器的工频机UPS相比了,也就容易使用户相信工频机的特点,以立于不败之地。
高频机UPS真的没有变压器吗?变压器是有的,不过,不是像工频机那样庞大的电磁变压器。从道理上讲也是有变压器的,如图3所示,这里是1kVA高频机UPS电池电压和输出电压幅度图。这里的电池电压是48V,而输出220V交流电压的幅度达620V,如果没有变压器,从48V到620V的变化是如何实现的呢!所以高频机UPS的电子变压器小到被人忽略,就是这个被人们忽略的小电子变压器不但体积小,而且比工频机UPS变压器的功耗也小,更可贵的是由于所在位置的不同,它还有工频机不允许有的双向抗干扰性能。

高频机UPS中电子变压器如图4所示。这是一个被称为Boost的升压变压器。交流输入电压被整流成直流后的脉动电压的峰值也不过310V,要想达到620V的电压峰值,逆变器输入电压必须在700V以上,升压是这样实现的:Boost电路将整流后的直流电压进行斩波(切割),比如当开关管S闭合时,电流由整流器输入,经S返回,在流经电感L时就在L中储存了能量,S在短暂的闭合后断开,此时在L中激起反电势,反电势的高低与电感量有关,反电势的方向正好与整流电压形成同向相加,形成更高的电压,经过二极管D给串连的两个电容充电,其充电电压的高低由设计定,一般在350V x2以上。电感上的能量释放的差不多时,又闭合S,再重复以前的步骤,于是就实现了升压变压器的功能。

从工作原理可以看出,该电子变压器是双向抗干扰的。当S闭合时,二极管是反偏压,起阴极电压比阳极高得多,比整流峰值电压还高出一倍多,又由于电感的阻抗作用,输入干扰根本无法进入;当S断开时,即使有干扰信号侵入也已被极高的电容充电电压所覆盖,根本无法起作用;从反向来的干扰被二极管D隔断。所以由于该变压器所处的位置不同,其功能远远超过了工频机的电磁变压器。

2.六脉冲整流
还有的表书上注明要“六脉冲整流”的UPS,这又是一个误区。晶闸管“六脉冲整流”技术早在上个世纪70年代就开始使用了,40年后的今天,整流器发生了很大的变化,IGBT同步高频整流器的出现,为晶闸管六脉冲整流器的光荣退休开辟了道路,但由于目前的一些器件和技术原因,在某些大功率领域中还在继续使用着这种器件,但并不代表它不会退出历史舞台。因为晶闸管六脉冲整流器的输入功率因数太低,三相机才0.8,如果前面配发电机,就需要3倍以上的UPS功率;而IGBT同步高频整流器的输入功率因数可达到1,如果不考虑其它因素,前面的发电机和UPS相等就可以了,对外干扰也比晶闸管六脉冲电路小得多,再加上其它优点,取代晶闸管六脉冲电路已绰绰有余,有的用户放着好的性能不用,反而把即将退位的老方案写进标书,舍优就劣,就不应该了!
 
3. N+X模块冗余并联
由于可用性的需要,在功率不太大的情况下,N+X模块冗余并联显出了优越性。在目前有两种模块式结构:第一代的功率模块并联式和第二代的UPS模块并联式。此二者的差别在于:前者的控制电路和功率模块是分开的,如图5所示,就好像一个拖拉机头(控制电路)带着多个车厢(功率模块),其中任何一个车厢都可以因故障而抛弃,但拖拉机头(控制电路)决不能故障,这就是一个瓶颈效应,所以可靠性受到了限制。

而第二代的UPS模块并联式结构与前者不同,它是总结了前者的缺点后而改进的全电路式结构,即一个模块就是一台完整的UPS,它的比拟如图6所示。由图中可以看出,每个车厢都有机头,所以其中任何一辆车都可以故障抛锚而不影响其它车辆的继续工作。即其中一辆故障后,可以将故障车里的货物(负载)均摊到其它车辆上继续运输。所以这种结构方案的可靠性要比前者高。

4.防雷器
有的用户希望UPS具有防雷功能,实际上这是一个危险的问题。即使在UPS输入端安装一个三级防雷器,却有将1500~2000V的雷电高压浪涌引入电路的危险,一般UPS的浪涌吸收器都安装在输入滤波器板上,滤波器是用一根不太粗的导线和输入电压相连,众所周知,雷电电流是相当大的,三级防雷器的泄流能力都在5000A以上,就是说雷电流根本就不可能经过滤波器不太粗的导线入地,其结果不是烧断防雷器就是使导线燃烧,烧断防雷器的结果将会使高压雷电浪涌进入UPS电路并将其一举击毁,甚至会殃及后面的用电设备。这种案例并非少数,要知道在有些案例中还没有将三级防雷器引入滤波器,而只是将1000V以下的浪涌吸收器安装在滤波器上面,这样做尚且如此,更何况将雷引入呢!所以正确的做法是必须将1000V以上的雷电电压消灭在UPS大门以外。
更有的提出了B+C防雷器的要求,他们认为这两级防雷器放在一起可以起到很好的防雷效果。但却忘掉了B和C之间应有1,000V左右的电压降。从图7(a)的比拟可以看出,这相当于两只不同电压的稳压管并联,稳压管(B)应将输入的3,000V电压降到2,000V, 
而稳压管(C)应将输入的2000V电压降到1000V,而这种连接法却使可接受2000V电压的稳压管(C)来承受3000V的冲击,此时该防雷器应先被击穿而通导,关键是二防雷器之间的连线压降和C上的残压一起能使的稳压管(B)通导,否则B就没起任何作用。因此才造成使用在某边际网中的该器件频频烧毁。那么是否可以用一电感将1000V降掉呢?看来似乎可以,其实不可,在这里是防雷器而不是稳压管,因为放在器件中的电感绕组的线径不可能粗,能通过1A的电流就了不起了,对成百上千安培的电流是无能为力的,所以此种方案不可轻易使用。