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发信人: horsearmor(马甲) 整理人: terryh(2004-03-19 15:03:44), 站内信件 |
| 关于大中型计算机访房UPS及其应用中几个问题的讨论
中国电源学会交流稳定电源专业委员会 王其英 -A前言 乍一踏进UPS市场，其状如雨后春笋，拨地而起，令人耳目一新，又有百花争艳之势。国外品牌的产品有瑞士的V-SPEED IM Sitepro.IMEL，意大利的SALICRO.Seil，法国的Merlin Gerin. Socomec,丹麦的Silcon,西班牙的SALICRO,英国的ABB,荷兰的Victron,芬兰的Fiskar,德国的西门子，南非的MATLA, Missner,美国的Exide, APC, Best,Deltcc, Leibert, Fenton,日本的三菱、电精，还有山特，创力，山顿，希尔，台达，PK ，冠军,见福，宏锐，飞锐，Taifa, NIFE, GOMA……。国产UPS也呈蒸蒸日上之势，如中华，东方，保护神，科华，宝星，恒电，熊猫……品牌繁多，产地各异，使观者眼花缭乱，目不暇接。 实际上，品牌再多也都在传统式(经典式)结构和三端口范围之内。所谓传统式结构模式如众所周知的交流－直流－交流的两次变换过程，而高频机UPS因也没脱出两次变换的模式，因此，也应纳入传统式的范畴。有人称三端口(在线互动式)为单变换，也有一定道理，其根据是省去了传统的整流充电器，仔细想来又不太确切，因为作为双向变换的逆变器在将直流变成交流时，其直流的来源是蓄电池，而蓄电池能量的补充是借用双向变换器的整流桥，将交流市电变成直流为蓄电池充电，因此，虽然从结构上省去了传统的整流充电器，但变换却仍在进行，故严格地说，三端口也不是单变换。 总之，万变不离其宗。从电路上讲，两次变换的过程是无法去掉的。各种品牌的差异也就移到其它方面，如电路元器件的选择、脉宽调制频率的制定，机械结构，智能化程度，网络功能，可靠性高低，扩充的能力等等，因此，同是雨后春笋却也有高低、粗细之分，同为园中百花却也有良莠之别，这就是价格不同的根据，用户不掌握这一点，一味地认为价格低就是性能价格比好，就很难选到合意的产品。比如从产品外表看，金属外壳当然比塑料外壳价贵，塑料壳轻便美观，但没有屏蔽作用，而金属壳除对干扰有屏蔽作用外，且有不老化不怕高温的特点，但它比塑料壳笨重；又如有的UPS有输出隔离变压器而有的就没有，这又有了价格的差异，因为输出变压(指前者)不但可以变压而且还具有缓冲和隔离的功能，这对要求在UPS输入、输出必须接地的场合变则用它不可。当然，那些无输出隔离变压器的产品一般都可作为选件另外卖给用户，不过这样以来，在价格上就缺乏竞争力了。 和UPS形影不离的蓄电池又何尝不是如此呢！品牌之多可与UPS比美。这二者的关系如何呢？往往有的用户被UPS的“原装”电池中的“原装”所迷惑，实际上这里的“原装”二字系指随UPS一起第一次配套的电池。蓄电池对UPS而言只有好坏之分，而不是非用某一牌子的产品不可，这一点在下面将详细讨论。 若想充分发挥UPS的功能，当然质量好的UPS和电池是基础，但若用好UPS就必须了解一些基本的应用知识方能收到事半功倍的效果。下面就几个问题进行讨论。 双路供电、漏电开关和参数稳压器 一、双路供电 一般UPS都有一个旁路(By-pass),在用单路市电供电时，可将图一中的1,2两点连接。也可将第二路市电接到By-pass上，但这种接法有一个弊端，即不论哪一路市电断电都会造成UPS由电池供电。 众所周知，逆变器在工作时要和市电同步(跟踪)，这里所说的市电是By-pass上的市电。即逆变器永远跟踪By-pass。在双路供电的情况下，例如第一路市电接在1端，第二路市电接在2端。当第一路市电异常时（如断电），这时整流器失压，逆变器只能从电池Btt中取能量继续向负载供电，这是电池放电的第一种情况；当第二路市电断电时，尽管这时第一路市电尚在，但由于逆变器失去了跟踪目标，就认为市电停电，改由电池 供电。以上的电路连接方法对UPS工作不利。 理想的方法是：将两路市电送往配电柜，在配电柜中进行切换，变换为用一路市电向UPS供电(这种切换是很容易的)，这样以来，情况就大不一样了：只要有一路市电正常供电，UPS就不会动用电池的能量。 二 漏电开关 目前的传统式UPS，一般在5KVA以上(有的从1KVA开始)就直接对输入交流市电进行整流，在无功率因数补尝的的情况下，就会在传输线中造成严重的谐波干扰，尤其用可控硅整流的情况下，干扰更甚，这是一般UPS的通病。 漏电保护开关的动作原理是：在一个铁芯上有两个组：一个输入电流绕组和一个输出电流绕组，当无漏电时，输入电流和输出电流相等，在铁芯上二磁通的矢量和为零，就不会在第三个绕组上感应出电势，否则第三绕组上就会感应电压形成，经放大去推动执行机构，使开关跳闸。 在上述UPS前面加漏电保护开关，尽管UPS无漏电现象，但由于各次谐波在铁芯中形成的磁通矢量和由于铁芯的磁滞作用而不能为零，于是就出现了类似漏电的假象，使漏电保护器频繁跳闸。 由于上述整流器的这种谐波，对参数稳压器和发电机尤其是这些设备的容量与UPS相近时，会使UPS无法正常工作。一般取发电机的容量为UPS的2.5-3.0倍。V-SPEED IM Sitepro虽用12相整流器，发电机的容量也应在1.5倍以上。 下面就几个在应用和选型时经常碰到的带有普通性的问题进行讨论。 B真正的UPS并联冗余 一、概述： 已往的UPS多用单机运行，或1KVA，或10KVA或100KVA等等，随着包括计算机在内的电子设备应用数量的增加和应用场合的重要，几百KVA的容量已不能支持众多的设备用电，于是就提出了1KVA并联的思想，并且取得了成功。早期的1KVA并联是由一台中心计算机进行控制的，并联容量达到了3000KVA以上；后来有的制造商又推出了并联柜的产品，即几台UPS的输出和有关信息电信号都送往一个外加的柜子，UPS的并联功能就在那里完成，由并联柜送出的电能已是经过并联后的产品了。开发早期的Leibert，现在的Exide等。 并联柜的方法不但投资大而且笨重，于是制造商在普通UPS中加了一些接口，平时可作一般UPS单机用，当需要时就加上这些接口板进行调整后就实现了并联，如意大利的Seil Secon等。 在普通UPS中加并联接口的思想不失为一举两得作法，但带来了一些不便，比如六台UPS并联要六台UPS中加装并联板，要到六台UPS的面板上去观察每台UPS的状态和参数，如修改某一同一参数时，要到六台UPS上分别去作等等。因此，瑞士V-SPEED公司推出了IM系列并联专用UPS(Sitepro P系列)，又将UPS的并联技术向前推进了一步。这样以来。并联的程序变非常简单：只需把几台并联UPS的输出电缆连接到一起，信号总线插头插到每一台UPS的相应位置就行了。由一个面板上可以看到所有并联UPS每一台的工作状态，也可在一台的面板控制它们中的每一台，修改它们的参数等等，并联专用UPS比通用UPS的优越性是很多的，容待后续。 并联不一定是冗余的，并联的概念是增容，而冗余的概念则是可靠性，比如两台50KVA UPS并联给80KVA负载供电，只能说这两台UPS是实现了并联，但若其中任一台因故障而关机，则余下的另一台也会因过载而断电。然而若负载为40KVA，那么一台50KVA UPS因故障而关机后，负载并没有被切换到这台UPS的旁路(BY-PASS)上去，而是由另一台UPS继续供电，这就是实现了冗余，即当一个UPS并联系统中的一台或者几台UPS故障时，余下的UPS仍能向负载正常供电，那么这个系统就是冗余系统。因此并联是实现冗余的必要手段而并不一定就是冗余。 二、普通UPS可否并联： 这里指的是没有进行任何并联考虑的一般在线式UPS。从一般原理上讲，普通在线式UPS都可直接并联，但应说明的一点是，这些UPS必须由同一路电网供电，在这种情况下，因为UPS的逆变器永远在跟踪旁路市电(BY-PASS)，由于这些UPS都在跟踪同一路市电，也就相当于互相在相位上跟踪。这些UPS在频率和相位上都是一致的，因此可以并联。但这种并联是不保险的，因为： a.在相位上 虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分，一般大容量UPS的相位跟踪在±3°，如果这两台并联的UPS一个是＋3°“一个是－3°”那么两个并联后就有可能在相位上差了6°,这就有可能使二输出电压相差 Umsin6°=300Sin6°=30V 这就会在UPS输出端造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。 b.在电压上： 虽然是同一条生产上的UPS逆变器，但由于逆变参数和变压器参数的微小差异会导致输出电压不一样，比如一个为218V，一个为220V等。 以上两方面的差异都会导致输出电压的不一致，一方面形成环流，另一方面各相负载输送的电流也不一样，很可能出现1台过载的情况。以上a和b两项可以通过一次调整而达到基本一致，但随着温度和时间的变化，这种平衡很快就会失去。可以这样说，不加任何措施的几台UPS并联，其可靠性不一定比单台UPS高，甚至还要低。 三、UPS并联冗余的主要指标和功能： UPS并联的主要指标是电流均分，即当n台UPS并联工作时，并联系统每一台UPS输出电流均为1/n 负载电流，当然100%的一致是困难的，但差异要限制在一定的值，比如IM Sitepro的电流不平衡度被控制在2%以下。 并联冗余的UPS系统，当其中一台出现故障时，不能像单台UPS工作那样立即转旁路。而是由其它UPS逆变器继续供电。 当负载功率小到由一台UPS供电尚有足够余量时，为了节能，应关闭几台UPS，比如6台600KVA的UPS并联，每台UPS空载运行功耗不低于5KW，节假日或夜间当负载量减到比如300KVA时，这时由1台最多2台UPS足可以对付了，其它4台就不应该白白浪费20KW以上的能量。V-SPEED的IM系列UPS，在负载小于UPS额定容量的20%时，该UPS就在选用节能软件的控制下自动关机休眠，当负载一升到25%以上时，UPS又被唤醒服务。 并联UPS系统往往有自己单独的机房，为了监控的方便，除了在一个UPS的面板上可进行全系统监控外，往往需要远程监控，一个是远程监控面板，即相当于将机器上的面板移到值班室，或通过RS232接口将信号引到PC机上进行监控，而这种远程监控信号只能由并联系统中的1台UPS取出。 V-SPEED IM UPS并联冗余系统还具有这样的功能：比如并联的6台UPS逆变器和5个旁路开关控制板均失效的情况下，仅剩的一块旁路控制板，仍可控制6个静态旁路开关正常工作。 专用并联UPS比普通UPS加并联措施后构成的并联冗余系统在功能上有很大提高，在监控项目上也有所增加，在此就不一一讨论。 四、为何并联UPS数目不能无限增加： 由前面的讨论可以看出，作到真正意义上的并联冗余都必须增加投资，目前一般要求并联的大都在10KVA以上，因为若实现上述那些并联系统的指标和功能所加的并联板平均每台UPS要增加1000-1500美元，因此比一台1KVA至2KVA的UPS还贵，故小容量的UPS系统为了提高可靠性一般都采取热备份连接方法。而大容量UPS并联的数目在目前一般不超过6台。如瑞士V-SPEED IM、法国的SOCOMEC、美国的BEST等。 当然，也有一种UPS据说可以上百台的并联，而且还可以冗余。这是完全可以做到的，而且和大容量UPS并联数被限制在6台并不矛盾，因为这种小容量的并联冗余和大容量的并联冗余不是一个概念，因为它既不能电流均分，也不能由一个面板上分别监控其它UPS，更不能从一台UPS的RS232接口接出遥控信号对所有系统中的UPS分别监控等等。如果这种小容量UPS的廉价并联可以实现以上真正意义上的并联冗余，那么无疑是一个革命的创举。不过这种小容量并联的UPS在一定场合上仍不失其一定的优点。比如美国APC 采用多模块并联推出一种18KVA UPS，一问世就受到了用户的欢迎；而瑞士IMEL用2KVA,和3KVA的基本模块构成2KVA、3KVA、6KVA和9KVA灵活结构式UPS，比如在一个机壳中用3个3KVA模块和电池构成9KVA，10分钟UPS，如果取掉一个UPS模块而用电池填入此处就可构成6KVA，30分钟的UPS等等。当然这种并联不具备真正意义的并联冗余概念。但它毕竟有并联冗余的功能。它虽然没有电流均分的功能，但每个模块却有限流的功能，这样就不怕电流不均分，充其量并联系统中有的UPS满载工作，有的甚至空载工作，但可以保证大家都不过载就可以了，像这种模块式的结构，其构成数量也不应多，目前都不超过4块。因集中在一个机壳内的许多模块由于负载不平衡，其各模块发热也不平均，很容易形成热集中点，再加上前后左右的相互烘烤，热量不容易散发出去，形成热积累，这不能说不是个隐患。 五、并联冗余UPS的性能价格比： 所谓性能价格比是指在相同的机器性能时的价格之比，这是一个综合指标，或者是性能不一样，但机器的价格也不一样时的比较。但目前一般招标者所指的性能价格比已不是原来的含义而变成了价格便宜论，通俗的说法就是价格低。比如有一个援外项目的招标者在标书上对UPS指标和功能进行了严格规定，并注明由于应用环境恶劣必须采用十年以上长寿命镉镍电池，在诸多投标者中有一家UPS堪称中等，电池也是一般3-5年铅酸电池，但价格几乎便宜1/3，结果这一家以性能价格比优越而中标。又比如同容量的电池10年以上寿命的1200元一块，而3-5的寿命的700元一块，有的用户就说700元的电池性能价格比好，如在同环境下10年电池10年才换一次，而3-5年寿命的电池在10年中已换了2-3次，且不说在价格已超过了10年以上寿命的电池，单从更换中造成的损失和对机器造成的不良影响而言，能说它的性能价格比优越吗？ 并联UPS也是如此，如果有一台80KVA的负载设备，是配一台100KVA的单机UPS好呢还是配100台1KVA构成的系统好呢？一台100KVA UPS不到50万元，而可以甚多台并联的那种 UPS加并联附件后的价格远大于5000元/台，肯定在价格上没有优势，100台的故障率，尽管有20%的冗余，故障时虽然不会影响负载的运行，但由此给用户带的麻烦也是可观的，更何况一般大容量UPS的结构完善，本身的可靠性就高于小容量UPS，等等等等，像这种情况要多方考虑和比较，才能给性能价格比下一个适当的结论。因此价格低就是性能价格比好的概念是否应该纠正。 C.三进单出(3/1)UPS 在有些地方需要三相输入单相输出(即三进单出)UPS，如图二所示： 图二：三进单出方框图 一般提出三进单出要求的功率都不小，大都在10KVA以上，因为小容量的UPS采用单进单出即可，目前一般单进单出UPS可作到18KVA， 像这样的UPS需电网输入电流在80A以上，故需三相输入市电具有60KVA的能力，一般像这样不大不小的负载(UPS)很难使三相电永远保持平衡，因为在很多场合，这样的UPS开机关机都在破坏着电网的平衡：有时候UPS开机，该相市电满载而关机后这一相又空载，造成了三相不平衡，影响了电压一致性。三进相单出的UPS一般就可以解决这个问题。三进单出的UPS由于下面存在的不足而影响了其容量的增大： 1.尤其对较大容量的UPS而言，在三进单出时，不但使用户的安装投资增加，而且对市电将造成不规律的影响，为了说明这个问题仍以上图为例，设用户需100KVA三进单出UPS，由图上可看出，三相输入每一项为100KVA/3。当由于某种原因需切换到旁路时，则这100KVA的负荷将全部压在连接BYPASS的一相上，在图中是R(L1)相，那么略去了UPS的效率不计R相的输入电流骤增到450A，使这相的市电电压轻则造成电压大幅度下降，重则由于过载而断电，造成的损失将会很大。因此，为了不出现上述的断电局面，那么在最初安装UPS时就必须充分注意到这一点：与供电部门先要出多余的近70KVA的备用量，平时不用，以防万一。 另一方面，用户输入市电的三相闸刀或断路器要选用450A以上的产品，而供电电缆的截面积也应为原来计划量(100KVA/3)的三倍！ 摘至《中国电源信息中心》 ----  |
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