| UPS教室篇 |
Q.為什么要用UPS? 有一個常見的錯誤概念，認為我們使用的市電，除了偶爾發(fā)生的斷電事故，是連續(xù)而且恒定的，其實不然。市電系統(tǒng)作為公共電網，上面連接了成千上萬各種各樣的負載，其中一些較大的感性、容性、開關電源等負載不僅從電網中獲得電能，還會反過來對電網本身造成影響，惡化電網或局部電網的供電品質，造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外意外的自然和人為事故，如地震、雷擊、輸變電系統(tǒng)斷路或短路，都會危害電力的正常供應，從而影響負載的正常工作。根據電力專家的測試，電網中經常發(fā)生并且對電腦和精密儀器產生干擾或破壞的問題主要有以下幾種： 1、電涌（power surges）：指輸出電壓有效值高于額定值110％，而且持續(xù)時間達一個或數個周期。電涌主要是由于在電網上連接的大型電氣設備關機時，電網因突然卸載而產生的高壓。 2、高壓尖脈沖（high voltage spikes）：指峰值達6000v，持續(xù)時間從萬分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要由于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型電氣設備的開關操作而產生。 3、暫態(tài)過電壓（switching transients）：指峰值電壓高達 20000V，但持續(xù)時間界于百萬分之一秒至萬分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，只是在解決方法上會有區(qū)別。 4、電壓下陷(power sags）：指市電電壓有效值介于額定值的80％至85％之間的低壓狀態(tài)，并且持續(xù)時間達一個到數個周期。大型設備開機，大型電動機啟動，或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。 5、電線噪聲（electrical line noise）：系指射頻干擾(RFI)和電磁干擾（EFI）以及其它各種高頻干擾。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控制器的工作、廣播發(fā)射、微波輻射、以及電氣風暴等，都會引起線噪聲干擾。 6、頻率偏移（frequency variation）：系指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應急發(fā)電機的不穩(wěn)定運行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。 7、持續(xù)低電壓（brownout）指市電電壓有效值低于額定值，并且持續(xù)較長時間。其產生原因包括：大型設備啟動和應用、主電力線切換、啟動大型電動機、線路過載。 8、市電中斷(power fai1）：指市電中斷并且持續(xù)至少兩個周期到數小時的情況。其產生原因有：線路上的斷路器跳閘、市電供應中斷、電網故障。  對于電腦來說，顯示器及主機工作都需要正常的電力供應。尤其是內存，對電源的要求更高。它是一種依賴電能的存儲設備，需要不斷地刷新動作來保持存儲內容。一旦斷電，所保存的內容立即消失。如果非正常斷電，導致內存中的信息來不及保存到硬盤等存儲設備上，就會造成信息因完全丟失或變得不完整而失去價值，從而浪費大量的工作精力、時間、甚至造成巨大的經濟損失。而UNIX這樣的操作系統(tǒng)，如果不正常關機，內存中的系統(tǒng)信息沒有回寫到硬盤上，還可能造成系統(tǒng)崩潰，無法再次啟動。此外，電腦中的硬盤，雖然應用的是磁存儲介質，不會因斷電而損失信息，但突然的電力故障會使正在進行讀寫工作的硬盤物理磁頭損壞，或者系統(tǒng)文件在維護文件系統(tǒng)時，造成文件分配表錯誤，從而造成整個硬盤的報廢。另外，現在的操作系統(tǒng)大都能設置虛擬內存，由于突然的斷電，使系統(tǒng)來不及取消虛擬內存，從而造成硬盤中的“信息碎片”，不僅浪費了硬盤存儲空間，還會導致機器運行緩慢。電腦電源是一種整流電源，過高的電壓可能會造成整流器燒毀。而電壓尖脈沖和暫態(tài)過電壓以及電源雜訊等干擾都可能通過整流器進入主機板，影響機器的正常工作，甚至燒毀主機線路?？傊?，電力問題是計算機工作的重大威脅。但是隨著計算機和網絡應用的日益重要和廣泛，安全可靠的電源已是網絡設計和管理人員不得不認真面對的重要問題。“需要是社會發(fā)展的第一推動力”，在這種背景下，UPS(不間斷電源）應運而生，并伴隨電力電子技術的發(fā)展，不斷推陳出新，在十數年間，不僅造就了一個嶄新的產業(yè)，而且隨著時間的推移更將有蓬勃的發(fā)展和燦爛的前景。 目前我國的電力狀況？ 目前，我國僅有少數地區(qū)剛剛解決了電力緊張的問題，大部分地區(qū)和大城市還面臨著電力供應緊張的迫切問題，供電質量更是不能得到保證。但即使是在早已實現電氣化的美國和其它西方國家，電網的質量也遠非可靠。由于電網本身的質量有問題與各種偶然因素的作用，電壓浪涌，電磁噪聲，持續(xù)電壓偏高，持續(xù)低壓等電網不良現象在發(fā)達國家也是常事，甚至還可能發(fā)生短時間停電。來自電網的不良\因素還有，電源電壓瞬時或長時間的下陷、浪涌和中斷；電源頻率的漂移和不穩(wěn)；電源輸入波形畸變；各種尖峰干擾和噪音…等。這一切對于高精度的敏感儀器和不能中斷的設備來說是非常嚴重的。例如：計算機在工作時停電或者是有一個比較大的電壓低落，就可能造成內存上的信息被沖掉及硬盤數據丟失的后果。在醫(yī)院里，電子醫(yī)療設備如果因為停電而停止工作，對病人的影響是致命的。事實上，在造成數據丟失的各種因素中，電源故障以45．3％的機率居首位，其它幾種主要的因素分別是：暴風雨9.4％、火災8.2％、硬軟件故障8.2％、洪水6.7％、地震5.5％。 成本效益分析 不間斷電源的效益是十分具體顯著的。IBM美國總公司曾委托Allen一segall作過效益及成本評估，如下表：
由上表可以證明UPS的長期成本是最低的，所有電腦系統(tǒng)均非為短時間考慮的，即是為長期的工作與目的，相信明智的選擇是“裝設不間斷電源”，電腦安心，您也安心。 UPS的使用？ 1.UPS的供電方式 UPS的供電方式可分為集中供電方式和分散供電方式兩種。集中供電方式是指由一臺UPS向整個線路中各個負載裝置集中供電。  分散供電方式是指多臺UPS電源對多路負載裝置分散供電。  這兩種供電方式都有各自的優(yōu)缺點具體如下：
2.負載的選擇 并非所有的電器設備都需要使用UPS，同樣，UPS也并非適用所有電器設備。用戶在選擇UPS的負載時，主要應考慮大小、負載裝置的特性、負載裝置的重要程度以及不良電力對負載的影響程度。 1）負載裝置的特性 交流負載的供電方式一般分為單相和三相兩種。小功率負載，功率從幾百VA到100KVA，一般采用單相供電方式,選用單相輸出的UPS；而大功率的負載，功率從幾十KVA到1000KVA，多采用三相供電方式，因此需選用三相輸出的UPS。 負載類型一般可分為電阻性、電感性、電容性等線性負載與內含整流電路的非線性負載（又稱整流性負載）。電腦及其外圍設備多為非線性負載。UPS 適用于電阻性負載及帶容性的整流性負載。 感性、容性負載等非線性負載啟動都有沖擊電流，電腦等整流性負載即使是在正常運行時，其峰值因數也有2~3,即電流的峰值為其有效值的2~3倍，因此在選用UPS時應考慮到這一特性，應給UPS留一定的余量。對于某些功率因數較低的感性負載如空調機等，因其啟動電流相當大，可達其額定值的5~7倍，并且頻繁啟動，因此一般中小型UPS不適用，除非留有足夠的余量。 2）不良電力對負載的影響參見第一部分 3）負載大小與UPS容量計算一般電器負載都會標稱其額定功率或額定電流及功率因數等參數，但由于不同類型的負載差異較大，而總功率不能夠差異較大，故總功率不能夠簡單的相加而應該求其矢量和。好在一般情況下，用戶負載大多為電腦設備，其功率因數在0.65~0.7之間，因此可以將各個負載的額定功率累加求出總功率,而個別其他類型的負載如打印機等,可以按啟動大小將其額定功率乘以一系數再計算進去。根據負載總容量的UPS，一般可以按以下公式選擇:UPS容量>= 負載容量÷0.8即負載容量應為UPS額定容量的80%以下。選擇80%負載主要是考慮到負載啟動的沖擊電流以及用戶今后擴容的需要。 3.放電時間的配置 停電后UPS是依靠電池儲能供電給負載的，標準性UPS本身機內自帶電池,在停電后一般可繼續(xù)供電幾分鐘至幾十分鐘，而長效型UPS配有外置電池組,可以滿足用戶長時間停電時繼續(xù)供電的需要，一般長效型UPS滿載配置時間可達數小時以上。 一般長效型UPS備用時間主要受電池成本、安裝空間大小以及電池回充時間等因素的限制。一般在電力環(huán)境較差，停電較為頻繁的地區(qū)采用UPS與發(fā)電機配合供電的方式,見原理圖。當停電時,UPS先由電池供電一段時間,如停電時間較長,可以啟動備用發(fā)電機對UPS繼續(xù)供電，當市電恢復時再切換到市電供電。電池供電時間計算 電池供電時間主要受負載大小、電池容量、環(huán)境溫度、電池放電截止電壓等因素影響。一般計算UPS電池供電時間,可以計算出電池放電電流,然后根據電池放電曲線查出其放電時間。電池放電電流可以按以下經驗公式計算: 放電電流=UPS容量(VA)×功率因數/電池放電平均電壓×效率 如要計算實際負載放電時間,只需將UPS容量換為實際負載容量即可。 4.UPS的安裝 UPS安裝質量好壞直接影響到UPS系統(tǒng)今后的長期運行,尤其是大中型UPS，因此大中型UPS在規(guī)劃到安裝過程中都應該規(guī)范。 一般來講,UPS在安裝時主要考慮以下幾方面因素： 電網情況、負載容量及特性、使用環(huán)境、接地情況、配線及開關容量等。 1) 電網情況 主要包括電網電壓波動范圍、停電頻率等以確定UPS備用時間的配備。如有必要可以在UPS前極增設其他保護措施。 2) 使用環(huán)境溫度：要求為0℃~40℃濕度：要求為10%~90%落塵：UPS周圍環(huán)境要保持清潔，這樣可以減少有害灰塵對UPS內部線路的腐蝕結構：UPS長延時配置時，電池可能較重,此時應考慮地板承重問題空間大小：應保證UPS進行維護時，工程人員有一定的施展空間 3）接地情況 在電腦系統(tǒng)中為了確保電腦系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作,防止寄生電容耦合干擾，保護設備及人身安全，因此必須要有良好的接地系統(tǒng)。在接地系統(tǒng)中以接地電阻來表示接地好壞,一般接地電阻小于5Ω較為理想。 4)配電要求UPS的配電可以參照以下表格中數據。
1)正常的開機順序 由于一般負載在啟動瞬間存在沖擊電流,而UPS內部功率元件都有一定的安全工作區(qū)范圍,盡管我們在選用器件時都留有一定的余量,但是過大的沖擊電流還是會縮短元器件的使用壽命，甚至造成元器件損壞。因此 ,在使用時應盡量減小沖擊電流帶來的損害。 一般UPS在旁路工作時，抗沖擊能力較強,我們可以利用這一特點在開機時采用以下方式進行：先送市電給UPS，使其處于旁路工作,再逐個打開負載,先開沖擊電流較大的負載,再開沖擊電流較小的負載,然后UPS面板開機，使其處于逆變工作狀態(tài)。開機時千萬不能將所有負載同時開啟,也不可帶載開機。 2)關機順序 關機順序如下：先逐個關閉負載，再將UPS面板關機,使UPS處于旁路工作而充電器繼續(xù)對電池組充電。如果需要UPS輸出，將UPS完全關閉,則再將輸入市電斷開即可。 3）后備式UPS的使用 后備式UPS一般在市電狀態(tài)下沒有負載檢測功能，只靠輸入保險絲起保護。如用戶使用時不注意這點，在市電時很容易帶載過大，雖然市電狀態(tài)下，UPS還可能繼續(xù)工作，但一旦市電異常轉電池逆變工作時，UPS就會因過載保護而關機,嚴重時會造成UPS損壞，以上情況都會造成輸出中斷，給用戶帶來一定的損失。因此在使用后備式UPS時應特別注意不要帶載過量。 4）長效型UPS的使用 長效型UPS由于采用外接電池組以延長供電時間，外接電池的好壞直接影響到UPS的放電時間。因此在使用長效型UPS時應特別注意電池的使用和保養(yǎng)。關于電池使用保養(yǎng)問題的詳細說明請參閱以后內容。 由于長效型UPS外置電池與UPS主機是分開的，相互間由電池連線連接，一般正常使用時不會有什么問題，但是當用戶在裝機或移機時，就會需要進行重新連線，在連線時應注意以下幾個問題： ①電池連接時電壓極性要正確； ②電池與主機之間的連線先不要連接，等UPS市電輸入產生充電電壓后再連接。即UPS先上市電 再接電池（后備長效機以及C系列6KVAS以上機器則應該先接電池，否則無法開機）。 UPS( Uninterruptible Power System )，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統(tǒng)或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷( 事故停電 )時, UPS 立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續(xù)供應220V交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。 UPS作為保護性的電源設備，它的性能參數具有重要意義，應是我們選購時的考慮重點。市電電壓輸入范圍寬，則表明對市電的利用能力強（減少電池放電）。輸出電壓、頻率范圍小，則表明對市電調整能力強，輸出穩(wěn)定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩(wěn)定性,而電壓穩(wěn)定度則說明當UPS突然由零負載加到滿負載時，輸出電壓的穩(wěn)定性。 還有UPS效率、功率因數、轉換時間等都是表征UPS性能的重要參數，決定了對負載的保護能力和對市電的利用率。性能越好，保護能力也越強，總的來說，離線式UPS對負載的保護最差，在線互動式略優(yōu)之，在線式則幾乎可以解決所有的常見電力問題。當然成本也隨著性能的增強而上升。因此用戶在選購UPS時，應根據負載對電力的要求程度及負載的重要性不同,而選取不同類型的UPS UPS一般在什么情況下使用？ UPS不但直接用于計算機上，凡配有計算機的設備（如醫(yī)學上的CT、供應站的儀表等）、雷達站、軍事通訊系統(tǒng)、程控電話系統(tǒng)、外科手術室等，均使用UPS代替發(fā)電機作后備供電使用。 從其發(fā)展歷史來說，UPS經歷了兩個階段:旋轉式UPS和靜態(tài)變換式UPS。 旋轉式UPS由整流器、電池、直流電動機、柴（汽）油機、飛輪和發(fā)電機組成。在市電供電情況下，電動機帶動飛輪和發(fā)電機給負載供電；當斷電后，由于飛輪的慣性作用，會繼續(xù)帶動發(fā)電機的轉子旋轉，從而使發(fā)電機能持續(xù)給負載提供電源（電能-動能-電能），起到緩沖的作用，同時啟動柴（汽）油機。當油機轉速與發(fā)電機轉速相同時，油機離全器與發(fā)電機相連，完成從市電到油機的轉換。這是UPS的較早形式，盡管其維護簡單，也比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)龐大，操作不便，而且效率低，噪聲大，電力品質不高，技術條件的限制迫使人們不得不采用這種最簡單的解決方案。 隨著電腦網絡、醫(yī)療器械和精密儀器的不斷涌現和大量應用，旋轉式UPS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術的發(fā)展，另一種形式的UPS---靜態(tài)變換式UPS便應運而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型。 從技術上講，靜態(tài)式UPS分為三類：離線式（OFF LINE）、在線式（ON LINE）和在線互動式（ON LINE INTERACTIVE）。一般來說，這種UPS主要有兩種工作狀態(tài)，分別工作于不同的市電環(huán)境下。當市電正常時，（指UPS可以接受、認可的電壓幅值、頻率和波形比負載接受的范圍要大），由市電通過UPS給負載供電。UPS對市電進行濾波、穩(wěn)壓和穩(wěn)頻調整后，提供給負載更加穩(wěn)定和潔凈的電源。同時，UPS通過充電器把電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存在電池中。當UPS偵測到市電異常時，切換到電池供電，通過逆變器（INVERTER）把化學能轉變?yōu)榻涣麟娔埽┙o負載，以保證對負載的不間斷電力供應。這種UPS還有一種旁路（BYPASS）工作狀態(tài)，它在剛開機或機器故障時，可以把輸入經高頻濾波后直接輸出，保障對負載的供電。 1、在線式和后備式 從工作原理上分UPS可分為后備式（OFF LINE ）和在線式（ON LINE ）兩種。從備用時間上則可分為標準型和長效型兩種。 從原理上看，在線式UPS同后備式UPS的主要區(qū)別在于，后備式UPS在有市電時僅對市電進行穩(wěn)壓，逆變器不工作，處于等待狀態(tài)，當市電異常時，后備式UPS會迅速切換到逆變狀態(tài)，將電池電能逆變成為交流電對負載繼續(xù)供電，因此后備式UPS在由市電轉逆工作時會有一段轉換時間，一般小于10ms,而在線式UPS開機后逆變器始終處于工作狀態(tài)，因此在市電異常轉電池放電時沒有中斷時間，即0中斷。 2、在線互動式 UPS除了以上兩種類型外，還有一種稱為在線互動式（Line-Interactive），如的Inter系列。所謂在線互動式UPS，是指在輸入市電正常時，UPS的逆變器處于反向工作給電池組充電，在市電異常時逆變器立刻投入逆變工作，將電池組電壓轉換為交流電輸出，因此在線互動式UPS也有轉換時間。 同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，而其最大的優(yōu)點是具有較強的軟件功能，如Inter系列UPS隨機帶有監(jiān)控軟件，可以方便的上網進行UPS的遠程控制和智能化管理。 3、標準型和長效型 除了以上三類，根據后備時間，UPS還可分為標準機和長效機。標準機用內置電池，后備供電時間較短，一般在5-15分鐘。長效機則可根據用戶需要，增大電池容量配置，延長后備時間。但這要求更大的充電器來滿足電池充電電流和充電時間性的需要，因此廠商在設計時會放大充電器容量或加裝并聯的充電器。從備用時間來分，UPS可分為長效型和標準型兩種。一般來說，標準機機內帶有電池組，在停電后可維持較短時間的供電（一般不超過25分鐘）；長效機機內不帶電池，但增加了充電器，用戶可以根據自身需要配接多組電池以延長供電時間。 1．概述蓄電池是UPS系統(tǒng)中的一個重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關系到整個UPS系統(tǒng)的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個UPS系統(tǒng)中平均無故障時間（MTBF）最短的一種器件。如果用戶能夠正確使用和維護，就能夠延長其使用壽命，反之其使用壽命會大大縮短。蓄電池的種類一般可分為鉛酸電池、鉛酸電池免維護電池及鎳鎘電池等，它們各自的特點如下:
UPS考慮到負載條件、使用環(huán)境、使用壽命及成本等因素，一般選擇鉛酸電池免維護電池。UPS標準機機內電池均為松下鉛酸免維護電池，長效型外置電池也推薦使用松下鉛酸免維護電池或其他品牌優(yōu)質免維護電池。用戶千萬不要因貪圖便宜而選用劣質電池，因為這樣會影響整個系統(tǒng)的可靠性，并可能因此造成更大的損失。 2．蓄電池的檢查 2．蓄電池的檢查蓄電池都會有自放電現象（SELF-D1SCHARGE），如果長期放置不用，會使能量損失掉,因此需定期進行充放電。工程人員可以通過測量電池開路電壓來判斷電池的好壞，以12V電池為例，若開路電壓高于12.5V，則表示電池儲能還有80％以上，若開路電壓低于12.5V，則應該立刻進行補充充電，若開路電壓低于12V，則表示電池存儲電能不到20％，電池有不堪使用之虞。免維護電池由于采用吸收式電解液系統(tǒng)，在正常使用時不會產生任何氣體，但是如果用戶使用不當，造成電池過充電，就會產生氣體，此時電池內壓就會增大,會將電池上的壓力閥頂開，嚴重的會使電池鼓漲、變形、漏液甚至破裂，這些現象都可以從外觀上判斷出來,如發(fā)現上述情況應立即更換電池。 3．使用和保養(yǎng)雖然免維護電池在使用時不需要人工進行專門的維護工作，但是在使用時還是有一定的要求，如果使用不當會影響電池的使用壽命。影響電池使用壽命的因素有以下幾點：安裝、溫度、充放電電流、充電電壓、放電深度和長期充電等。 1）電池安裝電池應盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，并要避免受到陽光、加熱器或其他輻射熱源的影響。電池應正立放置, 不可傾斜角度。每個電池間端子連接要牢固。 2）環(huán)境溫度環(huán)境溫度對電池的影響較大，環(huán)境溫度過高，會使電池過充電產生氣體，環(huán)境溫度過低，則會使電池充電不足，這都會響電池的使用壽命。因此一般要求環(huán)境溫度在25℃左右，山特UPS浮充電壓值也是按此溫度來設定的。 3）充放電電流電池充放電電流一般以C來表示，C的實際值與電池容量有關。舉例來講，如果是100AH的電池：C＝100A。松下鉛酸免維護電池的最佳充電電流為0.1C左右，充電電流決不能大于0.3C。充電電流過大或過小都會影響電池的使用壽命。放電電流一般要求在0.05~3C,UPS在正常使用中都能滿足此要求，但也要防止意外情況的發(fā)生，如電池短路。 4）充電電壓由于UPS電池屬于備用工作方式，市電正常情況下處于充電狀態(tài)，只有停電時才會放電。為延長電池的使用壽命，UPS的充電器一般采用恒壓限流的方式控制，電池充滿后即轉為浮充狀態(tài)，每節(jié)浮充電壓設置為13.7V左右。如果充電電壓過高就會使電池過充電,反之會使電池充電不足。充電電壓異常，可能是由電池配置錯誤引起，或因充電器故障造成,因此在安裝電池時，一定要注意電池的規(guī)格和數量的正確性，不同規(guī)格、不同批號的電池不要混用。外加充電器不要使用劣質充電器，而且安裝時要考慮散熱問題。 5）放電深度放電深度對電池使用壽命的影響也非常大，電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數就越少,因此在使用時應避免深度放電。雖然UPS都有電池低電位保護功能，一般單節(jié)電池放電至10.5V左右時，UPS就會自動關機，但是如果UPS處于輕載放電或空載放電的情況下,也會造成電池的深度放電。 6）定期保養(yǎng)電池在使用一定時間后應進行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、測量各電池的電壓是否平均等；如果長期不停電，電池會一直處于充電狀態(tài)這樣會使電池的活性變差,因此即使不停電，UPS也需要定期進行放電試驗以便電池保持活性。放電試驗一般可三個月進行一次,做法是UPS帶載－－最好在50%以上,然后斷開市電，使UPS處于電池放電狀態(tài),放電持續(xù)時間視電池容量而言一般為幾分鐘至幾十分鐘,放電后恢復市電供電，繼續(xù)對電池充電。 |
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