實現UPS高可靠性的技術措施

Technical Measures to Realize High－ reliability of UPS

1引言

　　產品長期運行的可靠性，所有用戶都是非常關心的。眾所周知，可靠性是衡量產品質量的重要指標。尤其是UPS這類特殊產品，作為電腦系統的“保鏢”、“心臟”，其可靠性更顯得重要，也是一些特殊用戶極為關注的。

　　產品可靠性的內容包括固有可靠性及使用可靠性兩個方面。固有可靠性是指產品從設計到制造整個過程所確定的內在可靠性，它是產品的固有屬性；使用可靠性是指產品在實際使用過程中的人為因素及環境因素（包括安裝技巧、維護技術、環境狀況、操作人員素質等）對產品的壽命及功能發揮產生的重大影響。

　　產品可靠性的數量指標有：可靠性、失效率、平均壽命、有效壽命、維修度、有效度、重要度等。對于UPS這類可修復的產品，我們常用平均無故障時間MTBF（MeanTimeBetweenFailures）和平均維修時間MTTR來表示。MTBF越大越好，不同品牌UPS有不同的MTBF，現有單機的MTBF從10萬小時到330萬小時，因此UPS的可靠性指標是有很大差別的。還有一點需特別指出：是逆變器輸出的MTBF還是加有旁路系統（BYPASS）的MTBF？這是有很大區別的。據有關資料介紹，兩者相差約15倍。例如，加有旁路系統UPS的MTBF為20萬小時，那么僅逆變器輸出的MTBF約1.4萬小時，因此用戶應了解MTBF的含義，避免誤導。另一方面，MTTR數值越小越好。對于單機運行的UPS來說，當逆變器出現故障時，會轉換至市電旁路供電，雖然是不間斷供電，但此時負載是由市電供電，其市電質量如何卻無法保證，因此需要迅速修復逆變器，保證負載由逆變器供電，但修復時間是由售后服務響應時間和現場維修時間決定的。售后服務響應時間，對不同的代理商可以有很大的區別；現場維修時間一般為1至幾小時之間。如果缺乏維修備件或技術不熟練，MTTR將會延長。

　　分析UPS的可靠性，必須從產品的設計、研制、生產及使用等過程中去討論。

2UPS關鍵功率器件IGBT/IPM

　　UPS基本原理是AC/DC及DC/AC兩個變換，其變換的核心功率器件，M－UPS（注M—外國某公司代號）從60年代的可控硅（SCR）、70年代的達林頓晶體管（GTR）、80年代的場效應管（MOSFET）到90年代的智能化的絕緣柵雙極型三極管（NEWIGBT，IPM），其實M－UPS的發展歷史，就是功率器件發展的歷史，功率器件的優劣，直接決定UPS質量的高低。

　　目前M－UPS是采用第三代IGBTA級IPM，它是世界第一品牌的功率器件。該器件模塊內置驅動電路及短路、過流、過溫、控制電源失效等保護，具有高功率、高速開關、低驅動功率、低運行功耗等優點；同時由于是M公司自己獨立開發生產，對其器件的物理參數及其性能特點掌握非常清楚，因而在電路設計上能更好匹配，發揮其更大的功效，并帶來較高的可靠性。

3電路設計的全數字化和集成化

　　（1）M－UPS不僅DC/AC采用數字化，而且AC/DC也采用高頻PWM數字化技術，因而M－UPS從AC→DC→AC全過程皆為數字化，變換、控制、反饋、測量、顯示、通訊等均采用新穎的數字技術。

　　（2）M－UPS采用數字信號處理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制技術。由于32位數字器件的出現以及達到10ns的運算速度，因而獲得了極其精確和快速的控制能力。

　　（3）M－UPSAC→DC及DC→AC分別單獨采用DSP控制，而且輸入部分與輸出部分的系統控制也由DSP控制，它們組成一個非常完善的負反饋系統，不管輸入端市電如何變化及輸出端負載如何變化，都能使UPS保持穩定可靠工作。

　　（4）M－UPS采用大規模的半導體專用集成電路（ASIC,ApplicationSpecifiedIG,DSP）所構成的直接數字控制DDC（DirectDigitalControl），有別于其他品牌UPS所采用的較落后的微機控制技術，因而使M－UPS控制更準確、更精密、更可靠。

　　（5）M－UPS采用電壓反饋、電流前饋、電流局部循環等專利技術及采用DSP控制方式，使其UPS在100％非線性負載滿負荷時，輸出電壓波形的失真度仍非常小，明顯優于其他品牌只采用電壓反饋的UPS。

　　（6）全數字化的設計，使M－UPS具有非常良好

附表M－UPS檢測結果

的自我診斷功能，能迅速排除故障的征兆，從而提高可靠性。

　　（7）大幅度減少零件數量，從而大大降低了故障發生率，提高了UPS的可靠性。

　　M－UPS也曾用過“六脈沖整流”，“十二脈沖整流”的傳統電路，當研制出新型功率器件（NEWIGBT＆PIM）后便迅速把AC→DC的變換從模擬方式變為數字方式，從而使M－UPS擺脫傳統的、落后的技術，而一躍成為世界著名品牌的UPS。

　　M－UPS制造商的概念是采用最現代技術，使其UPS獲得高性能和高可靠性。全面質量管理（TQC循環）就是UPS產品在開發設計、生產制造、售后服務三個環節上不斷循環，以求用戶滿意。

4優異的技術指標

　　用戶對UPS不外乎要求優異的技術指標和高可靠性。M－UPS具有下述優異技術指標：

　　（1）高輸入功率因數。輸入功率因數實測為0.999。這不僅具有減少電網污染及市電無功損耗的環保與節能雙重功能，而且還能以1：1的功率比來配備自備發電機，而其他品牌UPS則可能需要2～2.5倍發電機功率的配置，這無形提高了M－UPS與自備發電機匹配運行的可靠性。

　　另外，由于高輸入功率因數，不僅可減少UPS配電設備（變壓器、斷路器、電纜、進相電容等）的容量，減少投資，而且更重要的是提高了系統（包括輸入配電）運行的可靠性。

　　（2）寬輸入電壓范圍。輸入電壓允許范圍為＋15％～－30％，在中大功率UPS當中還未見到另一品牌UPS經過權威單位檢測達到此指標，如附表所示。

　　當市電超出輸入電壓范圍時，將起動電池供電，長期如此，將大大降低蓄電池的使用壽命，不但增加UPS運行成本，而且最重要的是當需要電池供電時，電池可能已“過放”造成停電事故，降低了UPS系統

運行的可靠性。

　　（3）低直流總線（BUS）波紋系數。“六脈沖整流”是低頻（50Hz）工作，而AC→DC變換器是高頻(8～10kHz)PWM變換，因此直流濾波電容將大大減少。“六脈沖整流”為了降低直流BUS紋波，常采用數十只大容量電容并聯，為了降低成本常選用電解電容，但電解電容在長期工作后常發生電解液干涸及漏電嚴重的現象。這些都是引起UPS不可靠工作的常見原因。M－UPS由于采用“高頻整流”，因而濾波電容容量可降至電解電容的1/10，因此電容故障率可大為降低。

　　（4）低輸出諧波失真。在100％的非線性負載下，輸出電壓波形失真度為：THD≤3％，而其他品牌一般為THD≤5％。從百分數看起來相差不大，但這是一個從量變到質變的過程，降低THD1％～2％，需要采取多方面電路設計措施。如果沒有全數字化技術，沒有雙DSP控制是很難達到此指標的。眾所周知，UPS大部分故障是由于非線性負載瞬間變化的沖擊造成的，M－UPS對非線性負載的適應能力是很強的，故可靠性是很高的。

　　（5）混合型晶閘管開關。M－UPS從逆變器輸出切換至旁路是采用可關斷晶閘管（GTO）的靜態開關與電流接觸器并聯方式，既滿足了高速切換，而GTO器件又可以采取自冷方式，因此UPS體積小，而且提高了效率及可靠性。

　　（6）市電輸入具有軟起動功能。當輸入交流電源恢復時，由于M－UPS設計有軟起動功能，使輸入電流緩慢上升，減少了UPS對輸入電源的沖擊，無論是由市電或自備發電機供電，都有利于提高轉換的可靠性。

　　（7）逆變器輸出端無晶閘管靜態開關。M－UPS由IGBT/IPM功率器件組成的逆變器能夠抑制瞬時大電流沖擊，無需在UPS逆變器輸出端接上其他品牌UPS都必須接入的晶閘管靜態開關，此技術使M－UPS獲得更高的效率和更高的可靠性。

　　（8）交流和直流功率分配功能。當UPS由自備發電機供電時，而自備發電機容量又不足，則UPS可以將輸入容量限制在自備發電機的最大輸出容量，不足部分則可由蓄電池供給，這樣可以提高供電系統運行的可靠性。

　　（9）三相獨立控制功能。M－UPS采用三相獨立，瞬時波形控制，輸出端可適用于單相或三相負載，同樣可以提高供電系統運行的可靠性。

　　（10）非線性負載適應功能。M－UPS由于采用數字化及快速反饋技術，負載波峰因數比CF=3.6，對于100％非線性負載從空載（0％）到滿載（100％）跳變，輸出端電壓的變動也極其微小，從而大大提高其適應任何負載運行的可靠性。

5高超的冗余并機技術

　　大功率UPS雖然可靠性提高，但由于使用環境的突然變化（如市電電壓超出范圍、負載瞬間故障）、運行人員的錯誤操作、UPS本身零件的老化、個別元器件早期失效等因素都會導致UPS發生故障，對諸如金融、航空、醫療、郵電、交通、國防等系統要求供電質量很高的負載，還必須進一步提高UPS的可靠性。

　　近年來世界上發展了多種方法來擴展大功率UPS系統的平均無故障時間，其中冗余并機技術發展較為迅速。冗余方法確能提高USP系統的可靠性，但如何實現“冗余”卻是值得研究的問題。M－UPS由于采用全數字化電路設計，因而具有高超的冗余并聯運行技術，有別于并機柜、并機板、并機模塊及無線并機等并機方案。

　　（1）并機運行的UPS配備獨立的電壓與相位控制，沒有公共控制部分，不存在“瓶頸”現象。

　　（2）并機調試非常簡單，只須每臺UPS參數設置好后，即可投入并聯運行，不需要像有些品牌UPS要在滿負荷運行時調節功率均分。

　　（3）由于M－UPS全數字化控制及軟件設置參數，并機運行的每臺UPS輸出波形、相位及電壓值都非常一致，因此并機環流幾乎為零，這樣除了提高運行效率外，更重要的是提高并聯聯運行的可靠性。

　　（4）在沒在并機柜的條件下，可以多機并聯運行。理論上不受并機臺數的限制；目前已投入實際運行的系統為8臺UPS并聯運行。

　　（5）在并聯系統中的一臺UPS發生故障及正在維修時，負載仍能保證由UPS供電，不像有些品牌UPS需要轉入維修旁路，M－UPS能真正做到脫機維修，這是提高并機系統可靠性的關鍵所在。

　　（6）超長的平均無故障時間，兩臺UPS并聯加上靜態旁路系統，使MTBF數值大幅度提高。

　　由于M－UPS采用優化的設計、先進的工藝、嚴格的生產管理，使其具有很高的固有可靠性；同時由于M－UPS采用高質量、高可靠的功率器件IGBT/IPM，全數字化的設計，直接數碼控制技術，使其在世界UPS品牌中脫穎而出。它除了具有高質量、高指標、高可靠、多功能等特點外，還兼具節能、環保功能，它不僅滿足今日的需要，更是UPS今后發展的方向。