解析UPS應用誤區(圖)
2007/1/20 15:35:37 電源在線網
UPS的品牌種類繁多，在性能上各有千秋，這就給用戶提出了一個問題：什么樣的UPS最好？即什么樣的UPS在性價比上最優秀呢？是否有一個客觀標準呢？當然，客觀標準是有的，那就是UPS的性能指標。但是，由于UPS是一個專業性極強的領域，不少用戶雖然使用UPS多年，對UPS的這些指標還是不清楚。下面筆者結合用戶在使用中常見的問題，對這些指標進行分析，同時也對用戶在使用中存在的很多模糊認識進行澄清，以供讀者在選擇UPS產品時參考。
價格低并不意味性價比高。
價格與產品質量
多年來用戶對UPS的價格一壓再壓，迫使UPS的價格一降再降，于是有些用戶形成了一種壓價的習慣：不論什么產品，不論在什么條件下，好像不壓價就會吃虧，而且還認為既使將價格壓得再低，供應商也照樣盈利。 這在小功率產品上顯得特別突出。而另一方面，UPS供應商為了開辟市場，對用戶的壓價“政策”也習以為常，在不賠本的情況下也就步步退讓，這似乎是一種比較“融洽”的狀態。但價格總是有底線的，一旦產品的價格被壓到一定程度，在供應商無法承受的情況下，局面就有了變化。
UPS供應商為了中標或進入某一行業，雖然會接受較低的價格，但由于價格確實已壓到無法承受的程度，只好“另辟捷徑”，這就給用戶埋下了隱患。
廠商會有哪些應對辦法呢？廠商最常見的手段是從UPS主機上打主意， 使原來的價格大幅度降價，但卻給用戶埋下了隱患。比如, 已往UPS的過載能力普遍為: 過載到 125%，可堅持10分鐘,過載到150%，可堅持30秒。但這些降價后的產品過載能力大大降低(參見下表)，由此可以看出機器降價的原因。機器價格下來了，事故隱患上去了。
選擇廉價的電池上以及降低服務質量也是廠商常常采取的辦法。由于采用質量差的電池，常有電池需要更換，這就牽涉到UPS停機問題，在那些UPS一天24小時連續服務的地方，就給用戶出了難題，停機會給用戶帶來損失。
因此，用戶對產品的過分壓價，一般不會帶來什么好的效果，從長遠看，這種方法更要三思而后行。
由于電容的耐壓能力不足，實際使用時常常達不到標稱的輸入電壓范圍。
UPS的輸入電壓與頻率
輸入電壓范圍一直是用戶很關心的事情，用戶總是希望UPS允許的輸入電壓范圍越大越好，這在小功率時已形成了習慣，尤其是后備式UPS。在小功率情況下實現較大范圍的輸入電壓通常是容易的， 因為功率小就可以用一個多抽頭的變壓器通過繼電器觸點進行調節，有不少后備式UPS可允許輸入電壓變化±30%，甚至更寬。 但這種用抽頭變壓器與繼電器調節輸入電壓的辦法只適合于很小的功率，最大也會不超5kVA的功率。否則，在大功率設備中就必須采用接觸器，再和大功率變壓器結合起來就會使UPS變得非常龐大，價格也會大幅度增加。因此，一般不會采用這種方案。
而在大功率UPS中，普遍采用的是380V三相三線制可控硅全橋整流器，利用相控的方法來穩定市電的輸入電壓。那種聲稱可允許輸入電壓變化±30%或以上的產品，一般都是基于可控硅的相控原理而不考慮異常情況提出的，這雖然滿足了用戶的愿望，但卻埋下了隱患，導致電容爆炸的事件屢屢發生。鑒于此，追求輸入電壓范圍寬的用戶不可盲目聽信廠商宣傳，一定要弄清電容的耐壓情況，因為隨著電容耐壓的提高也抬高了機器的造價。換言之，售價也相應抬高了。
在輸出電壓頻率方面，正常工作情況下UPS的輸出電壓頻率總是跟蹤輸入的，因此輸入電壓頻率變化范圍太寬了對負載沒有好處，尤其是頻率下移的影響更大。比如有的UPS聲稱它的允許輸入頻率范圍是±10Hz，實際上這種提法的根據并不充分也無必要，其根本原因是：
1. 國家標準GB/T15545-1995“電力系統頻率允許偏差”規定：電力系統正常運行頻率允許偏差值為±0.2Hz，當系統容量較小時，其偏差可以放寬到±0.5Hz。實際上，我國一些大區系統已有能力保持正常頻率偏差值為±0.1Hz以內。
2. 一般柴油發電機在頻率發生這樣大的變化時，其輸出電壓就已經非常不正常了。
3. 輸入頻率范圍越寬，對輸出特性影響越大。因為很多負載是非線性的，不是感性就是容性。
過載能力是UPS的最關鍵指標之一。
UPS的過載能力
過載能力是UPS的關鍵性能，因為在市電和負載正常時，UPS只是起穩壓器和濾波器的作用，而這個功能用一臺廉價的交流穩壓器就完全可以實現。因此，如果UPS只起這么一點點作用那就不值了。所以UPS要點就在: 市電異常時UPS要能不間斷地接續上去，負載異常時UPS要能酌情處理，即對于一般的過載要能經受得住，不要一過載就輕易轉旁路，因為旁路屬于應急供電方式，“應急”含有“倉促應付”的意思，既然“倉促應付”，就是說質量和可靠性是沒有保障的。因此，盡量減少切換到旁路供電的幾率是保證可靠供電的關鍵，其中過載能力就是一個重要指標。
過載能力降低是如何造成的呢?主要是由于降低了價格昂貴的功率器件等級而造成。因為過載能力的大小直接受制于功率器件模塊的溫升，溫度太高是導致功率器件失效的主要原因。如圖6所示，功率器件模塊大，其熱容量就大，如果模塊（a）度達到150℃需10 分鐘，而功率模塊（b）由于器件功率等級低，熱容量小，在和（a）同等過載量的情況下，只要1分鐘就可使模塊溫度達到150℃，這時如不及時切換到旁路就有燒毀器件的危險。如同樣是進口名牌40kVA的UPS，有的采用了300A的IGBT模塊，也有的只采用了150A的IGBT模塊，在功率上就差了一倍！隨之造價也就降下來了。同樣的產品，用戶當然不會要150A的這種，但又無法知道內部功率器件的規格，尤其是機器未買之前，這時只有通過產品介紹中的過載能力來判斷內部功率器件的規格，而且這種方法非常準確。
這種利用降低功率器件規格來達到降價目的的做法，一來降低了機器的可靠性，二來也給用戶的工作埋下了隱患。
UPS的切換時間只對離線式有意義。
系統切換時間
UPS的轉換分幾種情況：市電異常時、負載異常時、電路異常時、負載異常和電路異常消除時。但不論在哪一種異常的情況下，都希望UPS不能間斷供電，下面就分別進行討論。
市電異常時 不少用戶最關心的是市電異常時的切換時間要保證為零。對于在線式UPS來說，在市電異常時電路的相應開關并未進行任何切換動作，所以也就不存在任何切換時間，那為什么有些用戶還非常擔心這個指標呢？這不得不追溯到后備式UPS，在早期的PC機使用中，很少有需要大容量UPS的場合，而用得最多的幾乎都是小于1kVA的后備式UPS。在市電故障時，后備式UPS必須通過轉換開關由市電供電切換到逆變器供電，如圖2所示。而這個切換開關是用中間繼電器充當，原來的產品都將這個切換時間限制在3ms以內，但實際上在測試中的切換時間有的就達到了45ms之長。一般也很少有小于10ms切換時間的產品。因此在這些用戶的意識中不管是在線式還是后備式，只要是UPS都是這樣的。由于沒分清在線式和后備式電路結構的區別，所以市電斷電時的切換時間也就成了一個雖然重點關注的問題。
負載異常時 當負載過流或短路時，由于逆變器再也無法承擔這樣的重負就需要切換到旁路供電。由于過載有一個時間限制，在這個過載時限內除了原來的頻率跟蹤鎖相外，電壓的幅度也開始跟蹤市電，目的是為了使同相切換時的電壓幅度盡可能地接近，電壓幅度越接近，切換越平滑。UPS過載的能力越強，就會使幅度跟蹤的時間越充裕，跟蹤的效果就越好，也就越能保證零切換。切換有兩種方式：一種是逆變器后面的靜態開關撤銷觸發信號的同時觸發旁路靜態開關，這種方式有時會出現環流；另一種是逆變器后面的靜態開關撤銷觸發信號后還要延遲一段時間，以保證該靜態開關完全截止后再去觸發旁路靜態開關，以避免環流的出現。但這個延時一定要恰當，延時短了仍會出現環流，延時長了又會出現間斷現象。
電路異常時 包括電路元器件在內的電路故障是一種比較嚴重的情況，尤其是導致逆變器突然停止工作的故障，使電壓幅度來不及跟蹤調整。如果再遇上市電電壓頻率的瞬變，破壞了頻率和電壓的跟蹤調整，使切換不能進行，但為了供電的繼續，有的UPS有一個強迫切換環節，這時就會有一個間斷時間，一般將這個時間控制在5ms以內。
負載異常和電路異常消除時 這是一個由市電向逆變器切換的過程。逆變器恢復正常后: 負載異常消除或電路故障排除后，逆變器重新啟動（自動或手動啟動），也存在兩電壓波形不同步而需跟蹤一段時間的問題。一般這個時間都比較富裕，容易實現零切換。
UPS的冗余并聯直接才能真正提高系統的可靠性與增容能力。
UPS的并聯能力
為了提高供電的可靠性，在冗余并聯技術問世前常采用熱備份串連連接的方式，這種方式的特點是應用靈活，不外加設備，既使不同廠家、不同型號的UPS，只要有靜態旁路，而且容量一樣，就可以做這種連接，而且具有冗余的功能。不足之處是不能增容，一臺機器過載轉到另一臺時也同樣過載，利用這種方法很少有兩臺以上連接的例子。并聯冗余方案的推出，有效地解決了增容和冗余的問題，直到現在仍然是一種最佳方案。它不但可以準確地實現負載均分，而且還有著成倍的過載能力。但隨著應用范圍的擴大，也表現出一些不足，比如在大容量的IDC機房中，有些場合的負載機柜呈長排擺放，而且很長。特別是有的UPS本身并聯性能不佳，冗余的功能只好用互為備份的切換方法來實現，這就是雙總線冗余結構的思想。另一方面，由于UPS的并聯臺數有限，目前最多是9臺，在容量大且要求冗余量大的場合，也不得不采用此方案。還有一種場合就是，用戶要求可靠性很高的大容量供電系統，但需幾年的時間才可用滿容量，利用雙總線結構也有其優越性。
由上面可以看出，雙總線冗余方案是從串聯熱備份冗余連接發展而來的一種改良方案。圖3列出了三種冗余方案原理圖，由圖3中可以看出：
1. 串聯熱備份連接和雙總線冗余連接的中間都有一個同步切換開關，不同的是串聯熱備份連接的切換是單向的，即不能互為備份；而雙總線冗余連接的切換是雙向的，可以互為備份，這是它的發展。
2. 雙總線冗余連接并未跳出串聯熱備份的范疇，所以一個機器過載，既使切換過去也仍然過載，即機器雖然增加了幾倍，但過載能力并無絲毫的增加。
3. 由于二者的中間都有一個同步切換開關而形成“瓶頸”，所以系統可靠性并未增加多少，而且該同步切換開關的價格幾乎和一臺同容量的UPS相當，甚至更貴一些，使用戶投資增加。
4. 雙總線冗余連接系統的增容必須是雙倍的，比如UPS1增加一臺20kVA的并聯單機，UPS2也必須增加一臺20kVA的并聯單機，使用戶的投資成倍增加，加重了用戶的負擔。
5. 很明顯，并聯冗余連接方案由于中間沒有形成“瓶頸”的切換開關，不論是從直觀上還是理論計算上都得出其可靠性比前二者高出一至幾倍的結論，過載能力也顯著增加，而且增容不必是雙倍的。
由上面的簡單比較可以看出，雙總線冗余連接的性能確實比串聯熱備份連接好多了，但無論如何仍不能與并聯冗余比美，只是在某些場合下是不得已而為之，或者從其他角度上看這樣用更合適一些。就是說在一定的條件下采用這種方案不失為好的思想，若為了推銷這種方案而不選擇場合，就不一定能發揮出它的優點，甚至起到相反的效果�！ �
價格低并不意味性價比高。
價格與產品質量
多年來用戶對UPS的價格一壓再壓，迫使UPS的價格一降再降，于是有些用戶形成了一種壓價的習慣：不論什么產品，不論在什么條件下，好像不壓價就會吃虧，而且還認為既使將價格壓得再低，供應商也照樣盈利。 這在小功率產品上顯得特別突出。而另一方面，UPS供應商為了開辟市場，對用戶的壓價“政策”也習以為常，在不賠本的情況下也就步步退讓，這似乎是一種比較“融洽”的狀態。但價格總是有底線的，一旦產品的價格被壓到一定程度，在供應商無法承受的情況下，局面就有了變化。
UPS供應商為了中標或進入某一行業，雖然會接受較低的價格，但由于價格確實已壓到無法承受的程度，只好“另辟捷徑”，這就給用戶埋下了隱患。
廠商會有哪些應對辦法呢？廠商最常見的手段是從UPS主機上打主意， 使原來的價格大幅度降價，但卻給用戶埋下了隱患。比如, 已往UPS的過載能力普遍為: 過載到 125%，可堅持10分鐘,過載到150%，可堅持30秒。但這些降價后的產品過載能力大大降低(參見下表)，由此可以看出機器降價的原因。機器價格下來了，事故隱患上去了。
選擇廉價的電池上以及降低服務質量也是廠商常常采取的辦法。由于采用質量差的電池，常有電池需要更換，這就牽涉到UPS停機問題，在那些UPS一天24小時連續服務的地方，就給用戶出了難題，停機會給用戶帶來損失。
因此，用戶對產品的過分壓價，一般不會帶來什么好的效果，從長遠看，這種方法更要三思而后行。
由于電容的耐壓能力不足，實際使用時常常達不到標稱的輸入電壓范圍。
UPS的輸入電壓與頻率
輸入電壓范圍一直是用戶很關心的事情，用戶總是希望UPS允許的輸入電壓范圍越大越好，這在小功率時已形成了習慣，尤其是后備式UPS。在小功率情況下實現較大范圍的輸入電壓通常是容易的， 因為功率小就可以用一個多抽頭的變壓器通過繼電器觸點進行調節，有不少后備式UPS可允許輸入電壓變化±30%，甚至更寬。 但這種用抽頭變壓器與繼電器調節輸入電壓的辦法只適合于很小的功率，最大也會不超5kVA的功率。否則，在大功率設備中就必須采用接觸器，再和大功率變壓器結合起來就會使UPS變得非常龐大，價格也會大幅度增加。因此，一般不會采用這種方案。
而在大功率UPS中，普遍采用的是380V三相三線制可控硅全橋整流器，利用相控的方法來穩定市電的輸入電壓。那種聲稱可允許輸入電壓變化±30%或以上的產品，一般都是基于可控硅的相控原理而不考慮異常情況提出的，這雖然滿足了用戶的愿望，但卻埋下了隱患，導致電容爆炸的事件屢屢發生。鑒于此，追求輸入電壓范圍寬的用戶不可盲目聽信廠商宣傳，一定要弄清電容的耐壓情況，因為隨著電容耐壓的提高也抬高了機器的造價。換言之，售價也相應抬高了。
在輸出電壓頻率方面，正常工作情況下UPS的輸出電壓頻率總是跟蹤輸入的，因此輸入電壓頻率變化范圍太寬了對負載沒有好處，尤其是頻率下移的影響更大。比如有的UPS聲稱它的允許輸入頻率范圍是±10Hz，實際上這種提法的根據并不充分也無必要，其根本原因是：
1. 國家標準GB/T15545-1995“電力系統頻率允許偏差”規定：電力系統正常運行頻率允許偏差值為±0.2Hz，當系統容量較小時，其偏差可以放寬到±0.5Hz。實際上，我國一些大區系統已有能力保持正常頻率偏差值為±0.1Hz以內。
2. 一般柴油發電機在頻率發生這樣大的變化時，其輸出電壓就已經非常不正常了。
3. 輸入頻率范圍越寬，對輸出特性影響越大。因為很多負載是非線性的，不是感性就是容性。
過載能力是UPS的最關鍵指標之一。
UPS的過載能力
過載能力是UPS的關鍵性能，因為在市電和負載正常時，UPS只是起穩壓器和濾波器的作用，而這個功能用一臺廉價的交流穩壓器就完全可以實現。因此，如果UPS只起這么一點點作用那就不值了。所以UPS要點就在: 市電異常時UPS要能不間斷地接續上去，負載異常時UPS要能酌情處理，即對于一般的過載要能經受得住，不要一過載就輕易轉旁路，因為旁路屬于應急供電方式，“應急”含有“倉促應付”的意思，既然“倉促應付”，就是說質量和可靠性是沒有保障的。因此，盡量減少切換到旁路供電的幾率是保證可靠供電的關鍵，其中過載能力就是一個重要指標。
過載能力降低是如何造成的呢?主要是由于降低了價格昂貴的功率器件等級而造成。因為過載能力的大小直接受制于功率器件模塊的溫升，溫度太高是導致功率器件失效的主要原因。如圖6所示，功率器件模塊大，其熱容量就大，如果模塊（a）度達到150℃需10 分鐘，而功率模塊（b）由于器件功率等級低，熱容量小，在和（a）同等過載量的情況下，只要1分鐘就可使模塊溫度達到150℃，這時如不及時切換到旁路就有燒毀器件的危險。如同樣是進口名牌40kVA的UPS，有的采用了300A的IGBT模塊，也有的只采用了150A的IGBT模塊，在功率上就差了一倍！隨之造價也就降下來了。同樣的產品，用戶當然不會要150A的這種，但又無法知道內部功率器件的規格，尤其是機器未買之前，這時只有通過產品介紹中的過載能力來判斷內部功率器件的規格，而且這種方法非常準確。
這種利用降低功率器件規格來達到降價目的的做法，一來降低了機器的可靠性，二來也給用戶的工作埋下了隱患。
UPS的切換時間只對離線式有意義。
系統切換時間
UPS的轉換分幾種情況：市電異常時、負載異常時、電路異常時、負載異常和電路異常消除時。但不論在哪一種異常的情況下，都希望UPS不能間斷供電，下面就分別進行討論。
市電異常時 不少用戶最關心的是市電異常時的切換時間要保證為零。對于在線式UPS來說，在市電異常時電路的相應開關并未進行任何切換動作，所以也就不存在任何切換時間，那為什么有些用戶還非常擔心這個指標呢？這不得不追溯到后備式UPS，在早期的PC機使用中，很少有需要大容量UPS的場合，而用得最多的幾乎都是小于1kVA的后備式UPS。在市電故障時，后備式UPS必須通過轉換開關由市電供電切換到逆變器供電，如圖2所示。而這個切換開關是用中間繼電器充當，原來的產品都將這個切換時間限制在3ms以內，但實際上在測試中的切換時間有的就達到了45ms之長。一般也很少有小于10ms切換時間的產品。因此在這些用戶的意識中不管是在線式還是后備式，只要是UPS都是這樣的。由于沒分清在線式和后備式電路結構的區別，所以市電斷電時的切換時間也就成了一個雖然重點關注的問題。
負載異常時 當負載過流或短路時，由于逆變器再也無法承擔這樣的重負就需要切換到旁路供電。由于過載有一個時間限制，在這個過載時限內除了原來的頻率跟蹤鎖相外，電壓的幅度也開始跟蹤市電，目的是為了使同相切換時的電壓幅度盡可能地接近，電壓幅度越接近，切換越平滑。UPS過載的能力越強，就會使幅度跟蹤的時間越充裕，跟蹤的效果就越好，也就越能保證零切換。切換有兩種方式：一種是逆變器后面的靜態開關撤銷觸發信號的同時觸發旁路靜態開關，這種方式有時會出現環流；另一種是逆變器后面的靜態開關撤銷觸發信號后還要延遲一段時間，以保證該靜態開關完全截止后再去觸發旁路靜態開關，以避免環流的出現。但這個延時一定要恰當，延時短了仍會出現環流，延時長了又會出現間斷現象。
電路異常時 包括電路元器件在內的電路故障是一種比較嚴重的情況，尤其是導致逆變器突然停止工作的故障，使電壓幅度來不及跟蹤調整。如果再遇上市電電壓頻率的瞬變，破壞了頻率和電壓的跟蹤調整，使切換不能進行，但為了供電的繼續，有的UPS有一個強迫切換環節，這時就會有一個間斷時間，一般將這個時間控制在5ms以內。
負載異常和電路異常消除時 這是一個由市電向逆變器切換的過程。逆變器恢復正常后: 負載異常消除或電路故障排除后，逆變器重新啟動（自動或手動啟動），也存在兩電壓波形不同步而需跟蹤一段時間的問題。一般這個時間都比較富裕，容易實現零切換。
UPS的冗余并聯直接才能真正提高系統的可靠性與增容能力。
UPS的并聯能力
為了提高供電的可靠性，在冗余并聯技術問世前常采用熱備份串連連接的方式，這種方式的特點是應用靈活，不外加設備，既使不同廠家、不同型號的UPS，只要有靜態旁路，而且容量一樣，就可以做這種連接，而且具有冗余的功能。不足之處是不能增容，一臺機器過載轉到另一臺時也同樣過載，利用這種方法很少有兩臺以上連接的例子。并聯冗余方案的推出，有效地解決了增容和冗余的問題，直到現在仍然是一種最佳方案。它不但可以準確地實現負載均分，而且還有著成倍的過載能力。但隨著應用范圍的擴大，也表現出一些不足，比如在大容量的IDC機房中，有些場合的負載機柜呈長排擺放，而且很長。特別是有的UPS本身并聯性能不佳，冗余的功能只好用互為備份的切換方法來實現，這就是雙總線冗余結構的思想。另一方面，由于UPS的并聯臺數有限，目前最多是9臺，在容量大且要求冗余量大的場合，也不得不采用此方案。還有一種場合就是，用戶要求可靠性很高的大容量供電系統，但需幾年的時間才可用滿容量，利用雙總線結構也有其優越性。
由上面可以看出，雙總線冗余方案是從串聯熱備份冗余連接發展而來的一種改良方案。圖3列出了三種冗余方案原理圖，由圖3中可以看出：
1. 串聯熱備份連接和雙總線冗余連接的中間都有一個同步切換開關，不同的是串聯熱備份連接的切換是單向的，即不能互為備份；而雙總線冗余連接的切換是雙向的，可以互為備份，這是它的發展。
2. 雙總線冗余連接并未跳出串聯熱備份的范疇，所以一個機器過載，既使切換過去也仍然過載，即機器雖然增加了幾倍，但過載能力并無絲毫的增加。
3. 由于二者的中間都有一個同步切換開關而形成“瓶頸”，所以系統可靠性并未增加多少，而且該同步切換開關的價格幾乎和一臺同容量的UPS相當，甚至更貴一些，使用戶投資增加。
4. 雙總線冗余連接系統的增容必須是雙倍的，比如UPS1增加一臺20kVA的并聯單機，UPS2也必須增加一臺20kVA的并聯單機，使用戶的投資成倍增加，加重了用戶的負擔。
5. 很明顯，并聯冗余連接方案由于中間沒有形成“瓶頸”的切換開關，不論是從直觀上還是理論計算上都得出其可靠性比前二者高出一至幾倍的結論，過載能力也顯著增加，而且增容不必是雙倍的。
由上面的簡單比較可以看出，雙總線冗余連接的性能確實比串聯熱備份連接好多了，但無論如何仍不能與并聯冗余比美，只是在某些場合下是不得已而為之，或者從其他角度上看這樣用更合適一些。就是說在一定的條件下采用這種方案不失為好的思想，若為了推銷這種方案而不選擇場合，就不一定能發揮出它的優點，甚至起到相反的效果�！ �
聲明：本信息內容的真實性未經電源在線網證實，僅供參考。
