UPS不间断电源在计算机房设备中的应用及工作原理

2020-09-02 17:10 ryder

UPS不间断电源在计算机房设备中的应用及工作原理,近年来,随着社会的发展,计算机机房设备系统在全国普遍应用,在生产和学习过程中对于网络的依赖程度越来越高,一旦出现网络故障,将严重影响我们的生产和学习。而事实表明,计算机机房设备系统的故障出现,有55%以上都是计算机电源系统的故障而引起的,例如电厂因故障发生的断电,电网的失压,电源的谐波对计算机设备造成的干扰等。因此,UPS(不间断电源)是预防和解决这些故障的重要设备。

UPS不间断电源在计算机房设备中的应用及工作原理
表 1 输入输出配线的选择

电压 / 容量 输入 输出  输入三相 输出三相
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
 

1 UPS 的分类以及主要功能

目前 UPS 的种类繁多,这些 UPS 除了额定功率的区别以外,按照其基本工作原理,可以分为三大类:第一,离线式(OFF  LINE),即 UPS 处于备用状态,一旦故障发生,立即工作;第二,在线式(ON  LINE),即 UPS 不断处于工作状态并且一般是并网工作; 第三, 在线互动式
(Interactive),这种 UPS 是实时监控电网,并且更具具体情况在备用和工作之前进行切换。本文主要是讨论第二类在线式 UPS 的工作原理、方案设计及其在计算机机房中的应用与维护。

2 在线式 UPS 在供电系统中的工作原理

2.1 输入输出端的配线与空气开关选择
输入输出的配线选择,对于整个 UPS 工作系统是很重要的。选择的线径太粗会造成一定程度上的浪费;而选择的线径太细,不能够在合理的工作电流之上留有裕量, 会导致配线发热,引起无法预料的后果。选择适当的输入输出配线,需要考虑金属导线的电气特性,防火等级,耐温等级等等。一般的,多股铜芯配线的散热量为 6 A/mm。在计算机机房设备系统中,我们选用多股铜线配线,如表  1 所示。

2.2 在线式 UPS 的工作原理
在计算机机房设备这种重要的应用场合中,在线式UPS 是作为供电系统辅助和应用的最佳选择。在线式UPS 除非故障状态下,是不断的处于工作状态之下的。电网电源分成两路,一路通过 AC-DC 充电器对蓄电池组进行充电,以保证蓄电池组后备供电的能力;另一路通过带有功率因素校正的整流器 (Power  Factor   Corrector——PFC), 将 220 V 的市电转换为直流电, 然后再通过DC-AC 逆变电路,将直流电转换为 220 V 的交流电,供给计算机机房设备。
当电网电压正常时候,DC-AC 的工作电源是由电网电压输入到 PFC 整流器获得的,然后逆变输出,供给计算机机房。
当电网电压出现异常情况时刻,例如电网电压高于264 V 或者低于 175 V(220 V+/-20%),或者断电时刻,蓄电池组直接通过 DC-AC 逆变器将蓄电池组的直流电转换为交流电,供给计算机机房设备。
旁路开关是在 UPS 的负载过重的情况下或者逆变器出现故障停止工作的时候接通,以保护 UPS 的主电路部分。当上述故障恢复到正常状态以后,旁路开关立即翻转为正常的工作状态,在线式 UPS 工作系统如图 1 所示。

3 在线式 UPS 的主要电路设计

下面介绍一种单相小型在线式 UPS 系统,本系统总共分为 DC-AC 全桥逆变模块、主控制电路模块、隔离驱动模块、信号采样检测模块、滤波系统、辅助电源。
输入滤波部分主要是将经过蓄电池和配线的直流电压和电流进行简单滤波,由于 PFC 整流器输出的直流电压和电流相对来说较理想,所以 UPS 的输入滤波部分也并不复杂,通常由电解电容和高频电容组成,加上安规电路后,都能够满足输入电压和电流的纯净。一般根据输出功率的大小和输入蓄电池的电压来确定电解电容和安规器件的选择。
主电路采用大功率 IGBT 全桥拓扑逆变电路,相比较来说,有很大的功率富余量,在输出动态范围内输出阻抗非常小,具有快速响应的特性。由于采用高频调制限流技术,及快速短路保护技术,使逆变器无论是直流供电电压的瞬变,还是负载迅速变化的冲击,都可以保证 UPS 安全可靠地工作。
 
图 1 在线式 UPS 工作系统图
 
输出滤波 LC 参数的确定:要求输出为 50 Hz 的正弦波,系统的 SPWM 频率设定为 18 kHz,采用 LC 低通滤波器将截至频率设置在 400 Hz,根据计算,综合电感在回路中的分压作用和电容的分流作用的影响,取电感值为 1.5 mH,电容取值为 1 uF。

4 计算机机房设备中 UPS 的维护

4.1 蓄电池的维护以及注意事项
蓄电池在整个在线式 UPS 系统中是至关重要的。UPS 之所以能够在电网异常甚至断电的时候提供不间断的电源,正是因为蓄电池源源不断的提供能量。目前,小型 UPS 大多数使用的是免维护,全密封的铅酸蓄电池。整个蓄电池的成本占据了整个在线式 UPS 系统的 1/3 到1/2。维修经验表明,在线式 UPS 系统的蓄电池失效的主要表现为输出端的电压不够,容量随着时间的使用会降低,或者是瞬间的放电电流不能够满足启动电流的要求等等。通常的,计算机机房系统所使用的在线式 UPS 系统的寿命在 5~7 a 年左右。但是在国内维修反馈中,有些在线式 UPS 系统的蓄电池在投入使用了不到一年就出现了各种问题。出现这样的问题的原因追究起来,一方面是因为部分蓄电池本身的质量问题,另一方面,在系统投入使用之后,没有进行相关必要的维护和检修,使得蓄电池的工作状态不清晰,成为了整个系统的安全隐患,造成不必要的损失。在新的在在线式 UPS 系统投入使用后,必须保证系统所处的环境温度以及适度的适宜。更重要的是,需要定匀时候,就要对各个电池进行均匀充电;除此之外,需要定期的对蓄电池进行容量测试和深度放电,使得电池组的性能能够得到正确检测,保持电池的活性。

4.2 蓄电池的维护以及注意事项
目前,计算机机房系统使用的在线式 UPS 系统基本上都是智能型系统。对于环境要求比较高,温度偏高会直接导致 UPS 系统的过热,引起系统本身的保护,从而停止输出。UPS 在使用过程中,各个参数不能够随意更改,以免出现输出的混乱以造成不必要的损失。不能够令 UPS 系统工作在超负载的情况之下,否则会引起过度发热,轻则自动关机,不再工作,重则使得逆变功率部分发生损坏。在断电时刻,应该先切断负载与 UPS 系统的连接,等待 UPS 系统正常开启以后,再启动负载,否则会直接导致多负载的冲击电流和供电流,造成 UPS 电源瞬时过载,这样的结果也会严重损坏逆变器的功率部分。

5 结 语

在线式 UPS 不间断电源对计算机机房设备正常运行非常重要,在对于计算机网络服务系统的工作起着不可替代的作用。正确使用和维护好 UPS 能够提高计算机机房设备的数据安全以及设备的安全使用。

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