2   UPS的设计和工作模式对性能的影响
UPS的关键任务是在各种交流输入电源条件下(包括发电机供电情况),确保提供给IT设备的满足设备具体要求的电源。UPS采用不同的设计都要满足以下主要标准:将电压维持在允许的范围内;无需锁定IT设备就可以在各种模式间转换;在市电与发电机之间平滑过渡。
2.1   将电压维持在允许的范围内
UPS输出电压必须在信息技术工业委员会(ITIC)为所有输入交流线路条件规定的ITIC电压容限曲线的可接受容限内。
(1)几乎所有的系统设计都提供一定程度的浪涌抑制,以防高频瞬变和大电压尖峰,例如由雷电引起的或由公共电厂的破坏引起的。
①多数小型后备式UPS和互动式UPS使用某些形式的瞬变钳位装置,如金属氧化物压敏电阻(MOV),它们可将多余的能源分流到地,或者在能量等级太高时自毁来吸收过电压或瞬时冲击。由于这种UPS多数都是小型的,放置在被保护的设备附近,很少用这种钳位装置。
②在正常模式运行的双变换UPS通过AC/DC转换过程处理电能,从而阻止有破坏性的输入电流通过UPS进入到所连接的负载设备(但是,如果UPS在旁路模式,如在系统维护或系统故障过程中,有破坏性的输入脉冲电流将通过UPS旁路进入负载)。
③多模式双变换UPS多数被部署在距市电输入源较近处,因此常常有额外的浪涌保护。这些设计包括连接多个并联的金属氧化物压敏电阻(MOV),得到三个独立的保护通路:相线与相线之间、相线与地线之间、零线与地线之间。UPS还可以有气体放电管、浪涌线圈或其它包含电感器和电容器一类器件的滤波电路,用于在破坏性电流到达负载之前将其消除。此外,这类UPS在输入电源条件允许转到双变换模式时会自动从高效模式转换过来,从而将输入瞬变与负载隔离开来。即使在旁路模式,保护所连接的负载不受瞬变问题影响。总是以这样或那样的方式保护IT设备不受大浪涌和冲击的损害。
不论采用哪种UPS设计,仍建议在市电接入处采取浪涌保护措施,以保护UPS输入监控电路,并在向UPS旁路供电的电路上提供浪涌保护。
(2)不同的UPS设计采用不同的电压条件(如欠压或过压)的工作方式。
①只要输入电压在预定的UPS容限内,后备式UPS就可为IT设备供给满足此要求的电能。但是,正常运行的电压范围一般较窄(ITIC曲线的±10%)。因此,蓄电池频繁提供电能,这样会缩短电池的运行时间和使用寿命。有些后备式UPS允许较宽的输入电压范围,这有助于保存电池电量,但可能导致所连接的IT设备锁定或出现时有时无的运行问题。
②只要输入电压在预置的UPS容限内,互动式UPS就可供应ITIC要求的电能。但是,互动式UPS使用抽头变换式变压器或降压/升压电路提供一些电压调节。这意味着它不需要频繁的蓄电池供电,虽然它也使用一些电池电能去支持正常模式与电压调节模式之间的过渡。但蓄电池的电能用量比后备式UPS的低,但仍比双变换拓扑的高。
③双变换UPS在所有输入电源条件下都提供调整过的输出电压,电压波动在标称值的1%～3%。当输入电压在预置的UPS容限内时,不需要使用电池就可对输出进行调整。同样,双变换UPS与后备式或互动式UPS相比,使用电池的次数少,时间短。这就等于延长了电池运行的时间和使用寿命。目前许多双变换UPS是智能型的,如果UPS没有100%加载,输入接受范围就会更宽。
④当输入电压在预置的UPS容限内时,多模式高效双变换UPS就可供应在ITIC要求范围内的电能。当输入交流电压超出此范围时,UPS自动使用双变换模式,使输入调整到ITIC要求的范围内。结果,蓄电池使用时长和频度与双变换UPS相似,在有些情况下甚至更低。
有些UPS设计可能允许调节输出电压的区间,因此UPS也可支持输入电压范围更受限制的非IT电源,同时仍可得到较高的运行效率。
所有UPS设计满足ITIC规定的IT设备的输入电压要求,如图5所示。主要区别在于UPS实现此结果的方式,这对蓄电池使用频度和时长有很大的影响。后备式UPS对蓄电池的需求量最高,双变换拓扑最低。

2.2   无需锁定IT设备就可在各种模式间转换
按照行业标准，IT设备内的电源装置设计可存储足够的能量，在电力中断时让设备继续运行约20ms，称为“保持”时间。这意味着设备可承受UPS在各个运行模式之间转换时出现的短暂的断电，如从正常运行模式到电池模式，再返回正常模式。
但是,转换实际上应比20ms快得多,因为电源装置在电力中断的情况下运行的时间越长,当它再接受到电力时汲取的突入电流越大,突入电流可超过UPS的电流处理能力,从而导致其关闭。
(1)后备式UPS在5～12ms(典型值为8ms)内切换到电池模式。后备式系统一般使用快速动作机械式继电器进行电力切换,将延长切换到电池前的时间。
大多数电源可以承受此中断。但是,当转换时间大于5ms时,突入电流会超过UPS逆变器的处理能力,引起IT设备复位,从而导致数据出错或关机。如果后备式UPS允许输出电压下降标称值的10%以上,电源装置(PSU)很可能处在汲取比正常值大的电流的状态。因为这个原因,失去输出的时间的延长增大了电源装置关闭的机率。
(2)互动式UPS以3～8ms(典型值为5ms)的典型转换时间切换到电池模式,在大多数电源的可接受限制范围内。如果转换时间大于5ms,有些电源装置会呈现出超过400%的突入电流,UPS逆变器无法支持这么大的电流要求。
(3)双变换UPS从输出电力零中断处(转换时)开始从电池汲取电流，因此转换不会引起突入电流。
(4)先进、高效的双变换UPS一般在1～3ms内切换到电池模式,完全处在典型的电源装置的突入曲线的最低部分以内。随后的突入电流小于正常峰值电流的200%,蓄电池和逆变器可以应对这样大小的短时突入电流(见图6)。

一些所谓的“高效运行模式”或“经济模式”选项的典型双变换UPS有一些局限,主要体现在两个方面。
①在高效模式时以后备模式运行(而非互动式),因此提供的保护较少。
②由于UPS设计中的变压器或检测电路检测到电源问题的延时,转换到双变换模式需要5～12ms。那样的转换时间可导致IT设备数据出错或关机。
而有效的伊顿多模式UPS系统必须始终跟踪交流输入，并将逆变器与其同步。这样，当失去交流输入时，逆变器会以输出电力的短暂中断立即送至负载。此外，整流器和逆变器应始终在线,时刻准备预防瞬变，并在交流电源中断时提供极其快速的响应。
2.3   UPS与发电机电力之间平滑过渡
在较长时间的市电停电中,UPS怎样处理向备用发电机的转换?此过渡可能不是平滑的,因为发电机在起动和预热期间电压和频率可能不稳定。
当发电机及其负载从初始起动过渡到正常运行的过程中,UPS必须能够处理发电机输出畸变。如果UPS不调整这种情况,不稳定的电力可导致所连接的IT设备数据出错或关机。UPS应当尽可能减少电池运行模式来回转换的次数,从而降低输出电力中断的可能性和电池的压力。
后备和互动式UPS必须在将负载切换到发电机之前先度量电源,然后再使逆变器与此电源同步。即使发电机的频率或电压有轻微的偏差,这类设计也可能切换回电池运行状态。
双变换和多模式高效双变换UPS可确保当发电机预热时,即使输出电压或频率不稳定(或由于其它负载使发电机循环开关),UPS仍继续靠整流器运行,而不是切换到电池运行状态。由于使用输入整流器将交流处理成直流,这类UPS使用电池供电的时间最短。

不同种类的UPS处理发电机起动的过程如图7所示。 

                           (未完待续)

[注]此稿系译文，读者如有疑问可与编辑部联系，我们再请作者给予答复。