UPS不间断电源所产生的作用及其应用.docx
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UPS不间断电源所产生的作用及其应用
随着电子计算机在国防、科研、生产自动化、管理等领域的广泛应用，近二十几年里在我国如雨后春笋般地建成了很多大、中、小各种规模的计算机机房，为计算机寻求和建造一个合适的工作环境以确保计算机可靠，充分发挥其设计性能，延长机器的使用寿命以及确保工作人员身心健康的问题越来越受到建设方的重视，并成为追求目标。
艾默生网络能源具有业界最齐全的网络能源产品线、并且其网络能源主设备全部为自有品牌。
艾默生网络能源利用自身强大的技术优势，为客户提供端到端的一体化解决方案，这样降低了客户选型、采购、工程管理的整体成本，大幅度提高工程建设速度，缩短工程周期，加快机房投产，统一和缩小客户的维护工作界面，这样有助于客户专注于核心业务，提高客户的核心竞争力。
1.2系统设计依据
本项目将依据国家标准及行业标准设计和管理施工，所引用的文件及标准包括：
1.业主提供的建设资料
2.施工现场条件和勘测资料
3.相关国家标准及规范文件：
✧GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》
✧GB50462-2008《电子信息系统机房施工及验收规范》
✧GB50019-2003《采暖通风与空气调节设计规范》
✧GB50243-2002《通风与空调工程施工质量验收规范》
✧GB50311-2007《综合布线系统工程设计规范》
✧GB50312-2007《综合布线系统工程验收规范》
✧GB/T50314-2006《智能建筑设计标准》
✧JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》
✧GB50052-95《供配电系统设计规范》
✧GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收规范》
✧YD5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》
✧YD5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》
✧GB50057-2000《建筑物防雷设计规范》
✧GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
✧GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》
1.3系统设计原则及系统特点
本系统集交流不间断供配电系统整体解决方案。
通用性
本系统的设计符合国家设计标准；
可靠性
设备具有良好的电磁兼容性和电气隔离性能，不影响其他设备正常工作；
一体化供电能统筹设计保证主设备的不间断供电；
稳定性
所有产品都经过全球主要电信商、数据网长期的运行考验，在业界具有领先的技术、领先的制造和领先的品牌；
安全性
符合高等级的抗扰度国际标准，工作安全可靠；
可维护性
主设备采用模块化结构设计，便于故障的维护处理；
扩充性
在系统设计中充分考虑到用户后期的扩容，做了合理的冗余设计；
智能化设计
系统主设备UPS、动力监控等均采用智能化设计，不需要另购智能接口板；
经济性
系统整体设计，可合理设计设备容量，减少设备成本；同时动力一体化解决也降低了设备的额外成本，给后期设备维护带来一站式服务；
一、UPS设计方案
2．1概述
根据信息中心机房技术要求，提供交流不间断系统（UPS）产品方案。
2．2UPS供配电系统
2.2.1总体说明
✓本项目中心机房进线电源采用三相五线制。
✓机房内用电设备供电电源均为三相五线制及单相三线制。
机房空调、新排风系统，正常照明，临时检修插座，普通办公设备等均采用市电供电；机房区域信息设备、应急照明、消防安防用电均采用UPS供电。
✓机房强弱电系统分开布置，合理设计。
机房配电间内合理设计总输入配电柜、市电输出配电柜、UPS输出配电柜。
✓UPS系统选用艾默生Adapt系列10KVAUPS系统作为不间断供电系统主体，系统后备时间按系统满载延时2小时设计。
我们这种分区集中式就近供电的方案，首先Adapt系统采用艾默生易睿风格的Rack机架设计，系统可直接安装于设备机房机柜列附近，最大程度缩短配电系统与负载机柜间距离，节省线缆敷设开支，进一步降低电能损耗，达到更优化的节能目的；其次提供了更加灵活的系统结构，完全实现按需扩展而无需提前投入大量基础投资，最大程度保护用户利益；再次将对日常维护、未来扩容提供了极大便利，最大化降低机房管理部门的工作难度，提高工作效率。
以上各项优点均充分保证了机房供配电系统的可靠性及经济性要求。
2.3艾默生Adapt模块化UPS系统
2.3.1模块化UPS系统方案可行性分析
模块化UPS系统由于具有可靠性高、便于扩容、安装维护容易、节能环保而成为UPS未来的发展趋势，而我们在此次项目中采用的即为此类UPS系统。
✓边发展边投资
模块化UPS，具备极强的扩容能力，可实现边发展边投资的按需扩展要求。
根据我们的了解，本项目用户现有设备并不多，采用模块化UPS，在不改变现有机房结构的前提下，可以很容易实现扩容，保证将来整个供电系统的可靠性不变。
✓更高的可靠性
N+X是目前最可靠的供电结构，N代表总负载所需的最少UPS数，X代表的是冗余的UPS数，也就是系统可以同时承受的故障UPS数，当X越大，系统的可靠度就会越高。
例如有一客户的总负载为32KVA，采用模块化UPS做N+1冗余设计，N为2，X为1，冗余等级为99.999%。
也可以选择做N+2冗余设计，其可用性等级为99.99999%，这样用户可以根据负载的重要程度提高冗余等级。
✓绿色节能
采用模块化UPS，可以根据现有负载的实际情况配置UPS的功率，从而保证UPS与负载的理想匹配，达到最佳的节能效果。
一般来说UPS是在满载的情况下效率最高，而负载越轻，效率越低。
采用二台传统UPS并机，各UPS的负载最大能到50%，根据统计大部分情况是不超过40%，这种负载条件下UPS的效率一般都不会超过82%；如果采用模块化UPS，比如2+1冗于模式，最大负载可达到67%，这时的效率可以高达90%，这样无论在系统工作效率、能耗、设备利用率、投资保护等方面都是最佳的。
这样的设计理念在环保节能方面更是很好的响应了目前国家大力提倡节能减排的政策方针。
✓模块化UPS便于装卸运输安装
传统的立柜式UPS是一个整体，单个机架就比较重，如容量100KVA的重量一般为1000kg左右，尺寸一般也超过2m3，包装、运输、装卸、机房门或者走道偏小、电梯载重不够、楼层层板支撑力不够等都可能存在问题。
而采用模块化UPS，则上述问题都将迎刃解决：
2个～4个人力即能搞定机架，1～2人能搞定模块的安装。
传统大功率UPS的结构限制了只能采用立式包装和立式运输，大大限制了运输车辆的选择。
而模块化UPS系统，由于模块可以分开包装，则机架可以卧式包装及运输。
2.3.2艾默生Adapt模块化UPS系统构成
方案：
单机系统
序
号
设备名称型号
数量
备注
1
Adapt10KVAUPS
（UHA1R-0100L）
1台
UPS模块;输出功率因数0.9;标准19英寸机架式,高度3U;重量35Kg;满载输入功率因数0.99;含机架L型导轨
2
12V100AH铅酸阀控蓄电池
32节
HUMBIRD（蜂鸟）;支持9KW负载2小时延时
3
16节柜
2个
定制电池柜
2.3.3艾默生Adapt系列UPS系统简介
适用对象
服务器、存储器、网络设备、ATM、VoIP、通讯设备、自动化设备、精密仪器、医疗诊断设备等输入电压精度要求较高的设备。
适用场合
中小型数据/通信机房、网络间、营业厅、实验室、仪器室、控制室、办公环境、计费中心、精密控制室、过程控制中心等。
Adapt系列UPS特性
✓Adapt系列UPS的产品定位？
✧适用于服务器机房等区域，保护服务器、网络通信等关键设备
✧完全匹配艾默生易睿TM机房整体方案
✧黑色机身设计突显了与服务器、机柜和谐搭配
✧提供丰富机架选件，方便机架内的配电/监控等功能的一体化实施；
✓Adapt系列UPS如何确保供电的高可靠？
✧双变换在线式设计，市电掉电无中断
✧支持N+X冗余方式，实现系统可靠性的大幅提升
✧DSP全数字控制，输出稳压精度高
✧采用最新IGBT器件，实现输入超宽抗电网波动范围
✧输入标配防浪涌电路，实现卓越的抗电网浪涌能力
✓Adapt系列UPS如何带来绿色环保？
✧整机效率高达92%以上，节能效益明显（本项目所选20KVA型号高达94%）
✧输入功率因数高达0.99，电能利用率高
✧满足欧盟RoHS指令，物料/工艺无有毒物质
✧可调速智能风扇，风扇转速自适应调节，有效节能
✧提供ECO运行模式，效率高达98%，显著节能
✓Adapt系列UPS如何为您省钱？
✧高达0.9的输出功率因数，带载量提升20-30%，匹配最新服务器的用电特性
✧系统效率高，省电、运行成本低
✧功率密度高，整机2-3U，占用机架空间小，节省机架数量（本项目所选20KVA型号高度为3U）
✓Adapt系列UPS如何方便的维护？
✧全系列兼容机架/塔式安装方式
✧超大尺寸LCD和LED显示，各类运行数据/系统状态/历史情况一目了然
✧操作显示面板旋转设计，可随安装方式不同自由调整角度，方便直观
✓Adapt系列UPS如何提高方案的可用性？
✧兼容三单/单单（5/10K），三单/三三（16/20K）多种应用场合
✧支持软线并联运行（最大4台，3+1/2+2/4+0可选），且无需并机插框，系统容量随意扩充
✧可通过级联电池模块方便地延长后备时间
✓Adapt系列UPS如何满足各种监控需求？
✧提供USB单机监控端口
✧提供可采集环境量的SIC网络适配卡，支持服务器自动安全关机功能
✧后台软件兼容多种操作系统（Windows/Linux/HP-UX/SunSolaris/IBMAIX等），兼容艾默生机房监控平台SiteMonitor，支持Web监控
✧提供Mib库，方便接入各类NMS网管系统
✓Adapt系列UPS如何保护和延长电池组寿命？
✧超宽输入电压/频率范围，有效减少电池放电几率，延长寿命
✧温度补偿功能，减少环境温度对电池寿命的影响
✧超强充电能力，有效缩短电池回充时间
✧电池组节数设置灵活，便于电池系统的利旧（16/20K）
✧支持共用电池组（16/20K），节省电池投资
参数特性
Adapt型号
UHA1R-0100L
输入参数
整流器类型
IGBT整流
额定电压
220/380Vac单相三线/三相四线
输入电压范围
单相120Vac~288Vac
输入频率范围
45Hz~55Hz
输入功率因数
单相＞＝0.99/三相＞＝0.95
电池
电池类型
铅酸免维护蓄电池
充电能力
标机回充至90%<6h
电池模块型号
U16-07C1
电池模块规格
430W×660D×88H（机架内高度2U）,50KG
输出参数
额定功率
10KVA/9KW
额定电压
单相220Vac
电压稳定度
3%
频率稳定度
0.25%
输出电压波形畸变率
<3％线性负载；<5％非线性负载
负载最大峰值因数
3:
1（满足IEC62040-3）
阶跃型负载能力
100%
输出方式
端子
过载能力（%额定负载）
105%~125%5min；125％~150%1min；>150%500ms
系统参数及标准
变换类型
双变换在线式
能否实现并机
支持最大4台并机，可设置4+0、3+1、2+2模式
安装方式
机架式/塔式兼容
整机效率
＞92.5％
切换时间
0ms
噪声
<55dB
语言
中英文
是否有LCD显示
是（可选）
安规
IEC/EN62040-1-1
电磁兼容
IEC/EN62040-2；IEC/EN61000-3-11；IEC/EN61000-3-12；YD/T1095-2008
浪涌保护
IEC/EN62040-2
防护类型
IP20
体积
430W×750D×130H（2U）
重量
25.5Kg
保修
1年
通信及管理
接口类型
USB/智能卡槽（干接点卡/干接点扩展卡/SIC卡/Modbus卡/RS485卡）
管理软件
SiteMonitor
环境参数
运行温度
0~40℃
相对湿度
5~95%，无凝露
最大海拔高度
<1500m，超过1500m时参照GB/T3859.2降额使用
2.4蓄电池系统
HUMBIRD（蜂鸟）电池关键生产技术与工艺说明
HUMBIRD（蜂鸟）阀控式密封铅酸蓄电池是应用现代最新技术制造，公司科研技术力量雄厚，生产、检测设备先进，严格按照ISO9002系列国际标准组织和管理生产。
产品性能稳定可靠，品质优良、使用安全、应用面广，通过国家蓄电池行业南方检测中心等国家指定归口单位检测、认证。
越力阀控式密封铅酸蓄电池系列产品广泛应用于邮电、金融、税务、公安、电力、水电、交通运输等部门。
特点：
密封：
全密封设计无电解液渗漏、运输和安装使用都很方便。
安全：
蓄电池有安全阀，并且不易产生气体，遇火不会爆炸，安全防爆。
无需维护：
由于全密封设计生产和基本不分解水，从使用起不需加水维护。
自放电低：
采用新型合金、高等级原材料和先进的制造工艺，常温下贮存期可达6个月。
使用和贮存环境温度范围宽：
从－30℃～60℃。
无需均衡充电：
在正常工作情况下，以恒压充电不需均衡充电。
使用寿命长：
25℃环境条件下，全浮充正常使用寿命6FM系列可达5年以上，GFM系列可达10年以上。
用途：
邮电通信设备（程控交换机、微波通讯、移动通信、光纤通信等）。
大型UPS及计算机备用电源（金融系统、办公设备、计算机房等）。
电力系统（发电厂、水电站、输变电站、风能及太阳能发电设备等）。
应急照明系统、消防安全及报警、监视系统备用电源。
航天、航空、航海、铁路、公路交通运输及电储能。
电子开关及控制系统。
峰值负载补偿储能装置。
关于电池的建议：
必须：
使用前必须检查电池外观；存储电池在阴凉处（温度最好不超过200C或6800F）；把存放起超过三个月的电池加以适当的补充电；充电时要在通风良好的环境中进行；把电池牢固地安装在设备机箱内
切勿：
将电池放在靠近火源的地方或焚烧电池；将电池短路；将电池放在密闭箱内使用；野蛮装卸电池；使用跛裂或漏夜的电池；过度震动和摇晃电池
◆UPS电池放电功率计算公式：
P=（W×a）/（n×η）
P－电池放电功率，单位－瓦/单体（Watt/Cell）；
W－UPS功率，本项目采用1个艾默生Adapt10KVAUPS系统；
A－UPS功率因数，Adapt10KVAUPS功率因数为0.9；
n－2V电池单体数量，Adapt10KVAUPS电池组额定电压按192V设计，即n＝96；
η－电池逆变效率，Adapt10KVAUPS为0.97；
由以上参数计算可知：
P＝（10000×0.9）/（96×0.97）≈96.65W/C（上下允许5%左右浮动）。
结合相关文件要求，对照以上恒功率放电数据表，确定10KVA负载延时2小时需配备12V65AH蓄电池2组，共计32只。
艾默生HipulseU系列UPS是对原有7000Hipulse系列UPS的优化和升级机型。
该机型除秉承7000Hipulse系列高可靠性的技术优势外，在DSP全数字控制、谐波治理、并机应用及双总线控制技术上等有了较大改进。
它采用真在线双变换工作原理，正弦脉宽调制及全数字化技术，可向负载提供连续、稳定、纯净的正弦波电源。
其主要内部结构及特点如下：
1.整流器
提供12脉冲全控桥（2组6脉冲SCR可控硅+30度移相变压器）整流器，其作用是将输入交流AC380V整流为直流432V左右。
控制特点为“斜坡”启动，即整流器输出电压在10秒钟内由0V至432V，对电网无冲击。
同时可实现多台UPS的延时启动，延时启动时间5—300秒可调，减小多台UPS同时启动对电网或油机的冲击。
再加上专用11次输入谐波滤波器，可将输入谐波含量减小至4.5%以下。
12脉冲整流器还可以有效降低直流母线纹波，延长电池寿命。
2.逆变器
由6只IBGT大功率管组成的SPWM（正弦脉冲调制）全控桥组成。
其作用是将DC432V转换成交流AC208V，经特制的（△/Z）零相移锯齿型升压隔离变压器，变为负载所需的AC380V；另外，该变压器具有消除来自如计算机类的非线性负载所反射的三倍次谐波电流的能力。
控制特点采用“慢降栅压”保护技术，可大大减少逆变器扰动关断（逆变器与静态开关相互切换），并提高UPS整机过载能力，使其抗短路和抗过载能力优于一般机型。
特别是其抗短路能力是同类设备无法比拟的。
3.双路静态开关
由12只SCR（可控硅）组成逆变器侧和旁路侧双路无触点电子式静态开关。
其作用是确保逆变器供电与旁路供电间的无间断切换，并确保输出电压波形的连续性和平滑性。
控制电路采用了“过零点”切换技术，保证了UPS在同步锁相时切换时间为0ms，在与电网不同步时，切换时间小于4ms，即电网频率无论怎样变化，均可确保UPS输出电压、频率的稳定与不间断。
4.控制系统
采用双DSP全数字控制技术，确保整流器、逆变器、静态开关的实时控制，以及各功率部分的协调，其特点是控制时效增加，精度提高，可靠性加强，最终使UPS整机效率提高，各项输出技术指标均优于一般同容量设备。
5.专用电池开关
艾默生HipulseU系列UPS电源所使用的电池开关均为专用“三位”开关，即UPS正常工作时为手动闭合状态，当电池组放电至下限保护电压值时，此开关自动由闭合状态跳为“0”位置，断开电池组供电，防止电池组因“涓流”小电流放电（对UPS控制电路提供电能）而影响电池的实际使用寿命，确保电池组的使用年限。
另一方面，此专用开关可以避免由于误操作，即在整流器未启动（无DC电压）时，闭合电池开关（两位开关），而造成电池组正极直流经滤波电容对负端短路烧断电池保险，以及造成滤波电容或逆变器功率器件（IGBT）损坏。
“三位”电池开关可很好地解决一般“两位”电池开关所造成的以上两个问题。
HipulseU系列UPS采用AC-DC-AC变换器，第一级变换（由AC-DC）采用三相全控SCR桥式整流器，把三相输入电源变换成稳定的直流电压。
直流母线电压同时为电池充电和逆变器提供电源。
电池充电采用温度补偿充电系统，以延长电池寿命。
逆变器采用最新IGBT功率开关器件及PWM（PluseWidthModulation）技术，把直流母线电压变换成交流。
在正常运行时，整流器和逆变器都工作，同时给负载和电池浮充供电。
当市电断电时，整流器停止工作，由电池经逆变器向负载供电；若电池电压下降到放电终止电压，而市电还未恢复供电，UPS将关机。
电池放电终止电压已预先设定（例如：
对380VAC供电体制，电池放电终止电压为320VDC）。
市电断电，电池维持UPS工作，直至电池电压降到电池放电终止电压UPS关机的时间，被称作“后备时间”。
后备时间的长短取决于电池的容量和所带负载的大小。
通常情况下，在重要场合，市电断电后，由发电机为UPS提供输入电源。
一旦发电机为UPS供电后，整流器启动为（电池充电）及逆变器供电。
现在通常采用的发电机在市电停电后，能自动启动，并很快带载这使得电池放电时间很短，相应缩短了电池充电时间。
6.旁路电源
在下图中注有“静态开关”（STATICSWITCH）的框的电子控制开关，使负载连接到逆变器的输出或旁路电源上。
在正常情况下，负载通过电子开关K1（受静态开关电路控制）由逆变器供电：
但过载或逆变器故障时，负载自动切换到旁路电源。
要实现逆变器与旁路电源间无中断切换，应先开静态旁路开关，由旁路电源向负载供电，再断开电子开关K1。
而当负载从旁路切换回逆变器，首先要闭合电子开关K1，再关断静态旁路开关。
在正常运行状态下，上述操作的实现必须是逆变器输出与旁路电源完全同步。
当旁路电源频率在同步窗口内，逆变器控制电路总是使逆变器频率跟踪旁路电源频率。
同步窗口设定为工作频率的2%，即±1Hz。
当逆变器输出频率与旁路电源不同步时，操作显示面板上显示告警信息[INV:
UNSYNCHRONIZED]。
另外，在UPS设计中，设置了手动维修旁路开关Q3，用于当UPS因维护而需要关机时，由旁路电源通过旁路开关直接给负载供电。
图UPS电源开关配置
✧技术特点及性能优势
LiebertHipulseU系列UPS的主要技术特点及性能优势如下：
1．双DSP全数字控制
在HipulseU系列UPS中，所有的功率变换器（诸如整流器、逆变器等）和系统元件（诸如旁路和逆变器的静态开关）都是由2个32位40MHz的DSP（数字信号处理器）控制的。
DSP的高速和精确控制性能使UPS控制精度大大提高，可靠性进一步得以加强。
2．UPS双输入检测窗口（电压、频率）
UPS旁路输入
至负载
UPS主输入
~
~
=
=
大功率UPS电源均有两路输入，即主输入、旁路输入。
UPS正常工作时由主输入给整流器提供能量，当逆变器出现故障或负载出现浪涌电流时，UPS会转旁路，由旁路输入对负载供电。
现大部分UPS电源只有主输入电压、频率检测电路，而旁路同主输入检测窗口相同。
一般该窗口检测指标为：
电压380V20%，频率50HZ5%。
这种单检测窗口设置的UPS对负载的供电会产生一定的问题。
如果市电电压在456V时，UPS由于输出浪涌电流的冲击而转旁路对负载供电，此时市电456V就会直接供给负载，此电压值会造成负载过电压保护，严重时可能会造成负载因过压而烧坏。
这种情况在其它单输入检测窗口机型中出现过。
而艾默生HipulseU系列UPS为双输入检测窗口，主输入检测窗口为：
电压380V15%~25%，频率50HZ10%；旁路输入检测窗口：
380V10%~15%，频率50HZ2%。
从以上电压检测指标可以看出，此指标不是一个恒定值，是可以根据UPS使用电网情况而做适应调整。
所以，此功能的设置不仅可以完全解决对负载供电的安全可靠；而且对单输入检测窗口的机型来说并非输入电压范围越宽越好。
3.输出功率因数高达0.9
HipulseU系列UPS的输出功率因数提升到0.9（滞后），使得其带负载的能力大大加强，能与新一代的服务器等IT设备更好的相匹配。
目前新一代服务器具有输入PFC功能，其输入功率因数达到0.9以上，这就要求UPS与之有相匹配的更高的输出功率因数，HipulseU系列UPS正好满足了这一新的挑战。
4、业内独有的UPS防雷技术，标准内置D级防雷器
5、输入谐波治理功能更加灵活和高效
HipulseU系列UPS在谐波治理方面具有更强大和更灵活的配置解决方案。
其内置的5次和11次谐波滤波器可以根据现场不同负载量下的谐波治理需求来灵活启工作动或关闭脱离系统。
6.逆变器抗过载能力和抗短路输出能力极强
UPS逆变器过载能力：
110%时可工作60分钟；
125%时可工作10分钟；
150%时可工作1分钟；
200%时可工作30秒（单相）
由于采用独特的限流输出调控技术，所以当用户因不慎造成UPS输出端严重过载或短路时，逆变器的输出电流不会无限增大，从而使该机型具有极强的抗短路和抗阶跃负载“冲击”的能力（注：
每台UPS在出厂前均做过成功的输出短路测试）。
所以，该UPS的逆变器的可靠性极高，一般其它UPS的该项指标仅为过载150%时可工作30秒。
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