UPS电源是工业领域用来对负载进行断电保护的关键设备。对于断电保护,针对不同的负载应用,又有两种类型。一种是普通的电脑类设备,当断电发生时,UPS电源需要为负载提供几分钟到十几分钟的后备供电时间。在这段后备时间之内,负载设备会进行数据存储等动作以防数据丢失,之后负载就会关机。在UPS达到后备时间之后负载仍然会断电,但这不会导致经济损失。另外一种是在数据中心,以及工业应用之类的场合,对UPS的要求就是真正的不断电,UPS系统必须提供整年每天24小时的连续供电。本文对可靠性与可用性的讨论就是针对这种情况。
电源系统的可靠性通常可以使用MTBF(平均故障间隔时间,或者平均无故障工作时间,以小时表示)来表示,此外还有一个更加容易理解的指标AFR(年失效率)。AFR和MTBF成反比关系,也就是AFR=8760/MTBF。因此MTBF越长,则年失效率越低。
对于可维修的系统来说,还有一个可用性的指标,其定义是A = MTBF / (MTBF + MTTR)其中A是一个百分比指标,MTTR值得是平均故障修复时间。如果系统出现故障时可以非常快速的恢复,那么系统的可用性指标就比较高。对于电网这类对象来说,使用可用性指标可以更加直观的衡量其可靠程度。而对于在关键场合经常使用并联冗余配置来说,可用性指标比可靠性指标更具有现实意义。
可靠性/可用性指标都是统计意义上的概念,一个电源系统的可靠性/可用性与构成系统的各个模块的可靠性/可用性之间也存在统计意义上的关联。
假设电源系统中存在两个电源模块,而这两个模块是并联工作的,其中一个和另外一个是互相独立的,见下面图中所示
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那么考察这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可用性A1与A2的关系就有Asys = 1 – (1 – AFR1)×(1 – AFR2)另外一种可能是系统中这两个模块是串联的,见下面图中所示
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那么这两个模块组合起来的系统的可用性Asys与每个模块各自的可靠性A1,A2的关系就有
Asys = A1×A2
由于可用性肯定是处于0~1之间的数值,因此两个并联模块的总体可用性要高于各自的可用性,而两个串联模块的可用性要低于各自的可用性。
UPS电源的可靠性
从单个UPS的设计来说,可以把整个产品按照模块进行划分,下面图中是一个典型的UPS系统结构图
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从图中可以看到,UPS各个模块之间的依赖关系比较复杂,但是还是可以分出串并联的关系如下:
辅助电源与所有其他模块都是串联的,因此辅助电源的可用性直接限制了系统能够达到的可用性等级;
控制模块与除辅助电源之外的其他模块也都是串联的,因此控制模块的可用性也会直接影响到系统总体可用性设计;
对于负载端来说,能够直接相连的只有旁路模块与逆变模块,而这两个模块是并联的;
PFC/整流模块与电池升压模块是并联的,之后再与逆变模块串联;
从能源提供者来讲,这里旁路电源与市电电源是两路独立的电源,而电池能源是由市电经过充电模块提供的。如果充电模块故障的话电池就没有能量存储,实际上也无法实现正常的UPS功能,因此市电—充电模块—电池也是串联的。这样可以画出整个UPS系统的可用性串并联路径图
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从这一路径关系里可以看到,总共存在3条并联的路径,而每一条路径各自又是由数个模块串联起来的。正与前面分析的一样,辅助电源与控制模块的可用性是串联在所有通路上的,因此如果这两者设计有缺陷的话UPS的可用性是无法做的很高的。电池回路串联有最多的模块数量,也是可用性的一条路径。
要提升系统的可用性首先要提升关键路径的可用性。从路径图上可以看到就是控制模块与辅助电源。辅助电源是整个UPS的关键点,如果辅助电源不工作整个UPS都将瘫痪。提升辅助电源可用性的方式可以有很多种方案:一种是改进设计,提升MTBF;一种是对辅助电源也适用并联冗余设计,提升可用性;再一种是对UPS的三条可用性路径分别使用不同的辅助电源,相当于把原来完全串联的路径改成并联。在UPS设计中可以混合使用这几种方式,由于上面三条可用性通路是并联的,而旁路通路本身是可用性的一条,因此最为推荐的设计就是优先提升旁路的可用性,对旁路单独使用一套辅助电源供电,并且这套电源的尽量采用简单的设计,以拥有高的MTBF。
控制模块同样也是影响到所有路径的关键点,也必须拥有高的可用性。参照辅助电源的处理方法,也可以给相对独立的旁路路径配备单独的控制模块,并且通过与其余控制功能协调工作来达到高可用性的目的。同样,旁路上的控制模块也要尽量简单,以提升可靠性。一种推荐的做法是旁路控制模块不断的检测UPS主控制模块的状态,如果发现主控制模块,则自动切换到旁路方式。此外,对于主控制模块来说也可以通过冗余的方式来提升可用性,比如采用双MCU结构,当一个MCU检测到另外一个MCU发生故障时可以接管另一个MCU的功能,或者采取紧急措施如转旁路来保证负载不断电。
对于UPS来说,电池是保证UPS能够在市电或者旁路断电发生时继续维持供电的关键,但是串联环节最多,也恰恰是可用性最为薄弱的环节。一般电池规格书里面会说明充电电流不要超过0.15CC,这就意味着电池在UPS满载放电放完之后要用数倍的时间才能重新充满,从这个意义上讲其可用性一般都在20%以下。但是由于电池并不是连续工作的,只要在电池放完前市电恢复,在重新充电的过程中也没有再发生断电,那么负载仍然不会受到影响。从这方面来看,电池的可用性在只会发生短时间的断电情况下还是很高的。
再重新来审视电池回路的可靠性,在电池与市电之间还有一个充电器模块环节。如果充电器损坏则电池在一次放完电之后就无法再充回,导致下一次市电停电时负载断电。但是充电器只是在电池需要充电时才会工作,因此如果能够及时对充电器的状态进行监控,在发现充电器异常时及时报警,就能够避免充电器故障带来的问题,从而提升整个UPS的可用性。对于电池也有一样的手段。电池在使用多次之后也会面临容量下降和失效的问题,但是如果能够通过电池状态监控发现电池失效并及时更换,也能够有效提升UPS的可用性。
整个动力系统是由独立变压器输入的市电1、市电2、ATS(自动切换开关)、TVSS(防雷击、抗浪涌抑制器),两台UPS和输电配电柜共同组成的“双输入,单输出”供电系统,属于典型的双机冗余单总线输出供电系统。 正常情况下,两路市电输入中有一路作为主输入电源,旁路开关闭合,UPS1和UPS2输入开关闭合,市电经过两台UPS后输出波形良好的220V电源。在输出方面,单电源设备直接连接在输出总线上,而双电源负载设备则通过并联方式连接在两路总线的分线上。如果主路市电发生故障,ATS能在比较短的时间内(80~100ms)自动执行切换操作,同时UPS的输入电源会出现短暂的停电,但由于UPS设备能在短时间内(4ms)对设备恢复供电,对于机房负载来说并无任何影响。倘若某台UPS出现故障时,在UPS并机逻辑控制板的调控下,通过执行选择性脱机操作,还能将故障的这台UPS从并机系统的输出总线中脱离出来,由剩下的一台UPS不间断地向负载供电,提高了系统的供电可靠性。 根据“1+1”UPS冗余并机系统的工作原理,不难发现其优点: (1)由两台UPS平均分担负载电流,减轻供电系统设备负担,提高系统稳定性; (2)过载能力强,容量是单台UPS的两倍,能提供更大的设备负载和过电流能力; (3)虽然...
.UPS变压器不具备抗(抑制)*和缓冲短路的功能 那么,上述变压器是否有抗*的功能呢?回答是否定的,而且也不允许其抗*。这里所谓的*只能来自负载,UPS的逆变器是不产生*的。负载对电压源的要求是:输出端动态性能一定要好,即动态内阻一定要小,这样电源的输出才能适应负载的变化,不允许有惯性。只有惯性环节才有抗*能力,变压器不是电抗器,在正常工作时是线性的,不失真地传递信号,所以不具备抗*能力。那么从结构原理上又如何解释呢?图9示出了这种变压器的结构原理图。从图9(a)的变压器原理图可以看出,普通电源变压器都有初级和次级,而且都是一层层用漆包线绕成的,如图9(b)的变压器结构剖面图所示。就是说,变压器是由绕在铁芯上的一层层铜漆包线构成,初级和次级也是这样,两层漆包线之间都垫有绝缘层,这样一来,每层绕组就构成一个导体平板,两层绕组之间就构成了一个平板电容器,进而在初次级绕组之间就形成了一个等效电容器C,如图9(b)所示。在初次级绕组之间也就形成了一个容抗XC,其数值的大小为: Xc =1/2πfc dzsc/19/3034/19303445.gif (a)变压器原理图 (b)变压器结构剖面图 图9 变压器结...