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数据中心里的在线双变换UPS有什么特点?

随着大数据、云计算和5G等技术的快速发展,数据中心也迎来了一个飞速变革的时期。作为数据中心供配电系统的重要组成部分,UPS也开始发生变化。可靠、高效和易用易维护等品质与性能,成为越来越多UPS厂家和数据中心用户关注的重点。


今天,前海乐成主要向您介绍静态UPS目前市场应用最多的一种产品——双变换UPS。


1工作原理


顾名思义,双变换UPS需要进行两次电力交换,即市电交流输入首先要经整流器变换为直流电,然后再经逆变器变换为交流电。与此同时,整流器/充电机或独立的蓄电池充电机给蓄电池充电。


典型的双变换UPS结构简化图


双变换UPS常常被称为“在线UPS”,其本来的意思是“负载总是由逆变器供电,不管市电交流输入电源的情况如何”。但术语“在线(on line)也表示‘在市电上’的意思”,为了避免定义的混淆,IEC62040明确提出不再使用术语“在线UPS”,而使用术语“双变换UPS”。当前绝大多数在线式UPS都采用双变换电路结构。


2性能特点


双变换UPS的负载始终由逆变器连续供电,无论逆变器是由整流器供电还是由蓄电池供电。UPS的输出电压和输出频率均不依赖于市电输入电压和频率。输出波形在正常方式下和储能方式下均为正弦波。


2.1优点:

(1)市电干扰完全隔离。由于整流器和逆变器使负载与市电电源隔离,抑制了市电的各种干扰,可以保护浪涌/尖峰、线路噪声、欠压、过压、雷电、频率变化、电压失真、电压谐波、电源中断等市电电源的干扰。逆变器输出带有隔离变压器,可以对负载进行共模噪声保护。


(2)转换时间非常短暂。交流输入电源故障时,可瞬时从正常方式转换到储能方式,转换过程中输出电源无中断,或者说转换时间为零。但是UPS故障时,从正常方式转换至旁路方式的转换时间为1~4ms。


(3)蓄电池寿命较长。无论运行在内同步或外同步,逆变器需要的直流电源都来自整流器,一般只有当交流输入电源电压超出规定的范围或故障时,UPS才转入储能方式,由蓄电池放电供给逆变器。蓄电池放电的几率相对较小(比其他任何UPS的蓄电池放电的几率都小),故可延长蓄电池的寿命。


(4)输入输出电压性能好。双变换UPS的输入电源的电压允许的变动范围很宽(例如+15%~-20%),输出电压的静态和瞬态精度很高(例如,可达到 1%,0.5%)。输出频率稳定度高(内同步时,±0.005Hz),因此,UPS还可用做变频器。


(5)可靠性最高。双变换UPS的整流器和旁路输入一般由两个独立的输入端子接入,这大大提高了UPS的故障容限。目前80%的UPS均采用这种架构,输出为正弦波,主要对IT负载或其他行业重要负载提供保护。


2.2缺点:

(1)结构复杂成本较高。由输入断路器、输入滤波器、整流器/充电机、逆变器、输出变压器、输出接触器、蓄电池断路器、蓄电池、旁路输入熔断器、静态旁路开关/旁路接触器等所组成,操作和维护较为复杂,一般成本比较高。


(2)能量损耗大效率低。双变换UPS的整流器和逆变器所进行的整流和逆变两次变换的功率是100%的负载功率,因为变换过程中的能量损耗与所变换的次数、变换的功率成正比,所以双变换UPS系统效率较低。


(3)输入端谐波干扰大。由于双变换UPS输入端一般都采用相控整流器,相控整流器产生的输入谐波电流对交流输入电源造成严重干扰。特别在由备用发电机组供电时影响大,需要配置至少2~3倍UPS容量的柴油发电机组。这个问题可以通过在UPS输入端增加滤波器或采用12脉冲整流器加以解决。


2.3应用:

目前市场上应用最多的就是双变换UPS,此类型的UPS功率从小到大都有,跨度比较大,1kVA~1200kVA。


3工作模式


双变换UPS的工作状态有很多种,主要有正常模式、旁路模式、蓄电池模式、维修旁路模式。


●当市电正常时,负载只从市电获取电能,交流电源的电压、波形由UPS本身控制

●当市电中断时,由蓄电池通过逆变器向负载供给电能

●当UPS自动或人工干预转至旁路时,由旁路电源向负载进行供电

●当UPS需要进行检修、维修、清洁时,人工将UPS转入维修旁路,由市电直接向负载供电



3.1正常模式


在正常模式下,市电提供给负载的所有电力都经过整流/充电机和逆变器的双重变换,即整流器将市电交流电变换为直流电,供给逆变器,逆变器将直流电变换为交流电,供给负载,双变换UPS因此而得名。



此时,整流器输入断路器闭合,蓄电池断路器闭合,逆变器输出接触器闭合。经过滤波和整流-逆变两级电力变换,输出与旁路电源同步的高质量交流电源。整流器还为蓄电池提供充电电流,以保持电池处于满充状态。


3.2旁路模式


在正常模式下,如果UPS检测到过载、负载故障或UPS内部故障,将自动转换到旁路模式。在旁路模式下,逆变器输出接触器断开,旁路电源(市电)经熔断器、静态开关直接为负载供电。



从正常模式转换到旁路模式的过程是先接通静态开关,然后接通与静态开关并联的接触器,接触器一旦接通,静态开关就自然关断。所以,在旁路模式运行时,是通过旁路接触器供电的,静态开关只是短时接通。因此,转换到旁路模式供电的过程即迅速又可靠。


从正常模式转换到旁路模式也可以手动实现。如果从正常模式转换到旁路模式不是手动完成的而是因故障转换的,则UPS将会自动试图返回正常模式以确认自动转换到旁路模式的原因,一般在1分钟内转回3次,当第4次被转换到旁路时,即认为故障确实存在,UPS将锁定到旁路模式,并告警。


3.3蓄电池模式


当UPS工作在正常模式时,如果市电中断或市电的指标超出规定的指标,UPS将自动转换到蓄电池模式。在蓄电池模式下,蓄电池断路器闭合,逆变器输出接触器闭合。蓄电池供给逆变器直流电,逆变器继续运行,不间断地为负载供电。UPS系统在蓄电池模式下运行的时间取决于蓄电池的容量和负载的大小。



当蓄电池放电即将终止时,如果旁路电源可用,则转换到旁路电源供电。如果此时旁路电源不可用,则UPS系统给出“即将关机”的警告,大约在运行约2分钟后负载就会断电。如果市电电源恢复到规定的指标,UPS将自动转换到正常模式。返回正常模式不是瞬时完成的,整流器承担的负载功率是逐渐增加的,直到达到正常模式的状况。


3.4维护旁路模式


当UPS需要进行维护时,通过手动的方式将负载无间断的切换到维修旁路模式,这样可以将UPS的内部进行隔离,在不中断负载运行的情况下对UPS进行维护和检修。



此时,整流器/充电机,逆变器和静态开关处于闭合状态,并从主电源隔离出来。蓄电池被其保护性断路器隔离。


4日常维护与检修


4.1检查内容


●清洁并检测电池两端电压、温度

●连接处有无松动情况,腐蚀现象,检测连接条压降

●电池外观是否良好,有无壳变形和渗漏

●极柱、安全阀周围是否有酸雾溢出

●主机设备、各运行模式是否运行正常

●······


4.2注意事项


●电池的测试时间为3-6个月

●检查UPS的历史曲线,特别要检查电池的使用情况

●3-4个月要对电池进行一次放电,放电时要放掉电池容量的10%,放电时间据电流的具体情况而定

●检查时注意电压情况,若低于360V以下就要注意检查电池是否有损坏

●必要时要使用专业的检测仪器进行检查,如电阻仪等

●如果电池有损坏,则要一个一个进行排查,找出损坏源并及时更换电池

●检修过程中要特别注意用电安全,保障人员和设备都能完好无损

●······


对于大型数据中心来说,发生宕机事件是不可接受的,特别是一些关键设备必须受到保护,不能受任何电源质量问题的影响,而备用UPS甚至是互动式UPS由于自身性能问题,是不能够满足大型或复杂的敏感型负载的要求。在这种情况下,双变换UPS至关重要的。


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