艾默生UPS电源技术

艾默生UPS电源技术

高频UPS整流属于升压整流模式，其输出直流母线的电压一定比输入线电压的峰峰值高，一般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节，这样给实际应用带来大的限制。因此一般高频UPS会单配置一个电池变换器，市电正常的时候电池变换器把母线800V的母线电压降压到电池组电压;市电故障或**，电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电压。从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出相电压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。

二、工频机和高频机的性能对比

随着电力电子技术的发展和高频功率器件不断问世。中小功率段的UPS产品正逐步高频化，高频UPS有功率密度大、体积小、重量轻的特点。但在高频UPS功率段向功率过渡推进的过程中。高频拓扑UPS在使用过程中暴露出一些固有缺点，并影响到UPS的安全使用和运行。

1)零偏故障。

某型号大容量三相高频UPS拓扑如下：

某型号四桥臂高频机拓扑

UPS主路输入是三相四线(相线+零线)，整流器为四桥臂变换器。A、B、C三相和零线均通过IGBT整流。此种变换器存在先天缺陷：零线在主路工作时不能断开。当A、B、C三相闭合，零线断开时。如果UPS输出端接不平衡负载，当零点参考点突然消失，将造成严重的UPS输出零偏故障，进而导致UPS后端负载设备的损坏，输出闪断等重大故障。如果A、B、C、零线同时中断。这种情况往往会发生在市电和发电机切换过程，此种拓扑的高频机因零线缺失而必须转旁路工作，在特定工况下(电压过零点，非同步切换时)可能造成负载闪断的重大故障。而工频机因整流器不需要零线参与工作，在零线断开时，UPS可以保持正常供电。

2)零地电压抬升和电池架带电问题。

大功率三相高频机零线会引入整流器并做为正负母线的中性点，此种结构不可避免的造成整流器和逆变器高频谐波耦合在零线上，抬升零地电压，造成负载端零地电压抬高，很难满足IBM,HP等服务器厂家对零地电压小于1V的场地需求。

某型号高频UPS的电池变换器采用高频Buck/Boost拓扑结构，变换器缺少必要的滤波装置。因此充电电压和电流耦合大量高频分量，在现场实测数据如下图：

可以明显看到频率12.5KHz的高频分量，实测电池正与大地浮置电压有325V，断开电池架接地，电池架与大地间有100多伏浮置电压。接通电池架与大地，电池架与大地漏电流高达110mA。按照行业标准(GB13870.1-93 《电流通过人体的效应》)，50mA的电流就可以致人死亡。该型号UPS在电池架未与大地短接时，人体触摸到电池架有明显被*的感觉。原因是充电回路中高频分量通过人体与大地形成通路，造成人体触电。同时，此高频谐波严重*了外置的UPS电池单体电压监控系统，使电池电压监控测试仪无法正常工作。

3)可靠性降低。

自1947年底一个晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器(SCR，现称晶闸管)在晶体管渐趋成熟的基础上问世，至今晶阐管已历时半个多世纪的发展和革新，耐受高电压，大电流晶阐管技术已非常成熟，其抗电流冲击能力非常强。晶阐管是半控器件，不会出现直通，误触发等故障。相比而言，80年代初问世的IGBT(绝缘栅双晶体管)有许多优点，其开关频率可在几K至几百KHz之间，是目前高频UPS主要功率器件。但是，IGBT工作时有严格的电压，电流工作区域，抗冲击能力有限。在可靠性方面，IGBT一直比晶阐管差。根据大量的数据统计，采用晶阐管的整流器故障率远远低于IGBT整流器的故障率，前者大约为后者的1/4。

工频机通常采用SCR整流器，而高频机多采用IGBT整流器。因此，工频机在可靠性方面优于高频机。而大功率UPS可靠性是用户关注的要素。目前市面上销售的多款**工频机产品在用户端都有很好的口碑。并通过了长时间和复杂电网的实际验证。

高频大功率UPS还有诸多缺点，详见附件：

不可否认，高频UPS有一些优点，但目前就技术发展和成熟度而言，大功率高频机有许多缺点还需要进一步技术优化和升级。某些厂商推出的大功率高频UPS仍在试用阶段。在可靠性原则下，使用在重要场合的大功率UPS，仍然以工频机为可以选择]。

UPS电源电池容量的简便计算方法

在用户和厂商的交流中,常常提到这样的情况:根据UPS的输出容量和所要求的后备时间,需速、粗略地给出相关电池的配置。此时可用下列方法*做出。

1 对于109Ah·块/kVA设计寿命10年的电池

使用时按下列公式计算:

所需电池容量(Ah)=

例如:一台120kVA的UPS,每组电池32块,要求后备时间60min(即1h)。则所需电池容量为

120kVA×109Ah·块/kVA=13080Ah·块,13080Ah·块/32块=409(Ah),即可选12V,100Ah电池4组(32块/组)。注意:实际后备时间不足60min(欠缺一点)。

如果每组33块,则13080/33=396Ah,同样可选12V、100Ah电池4组(33块/组)。注意:实际后备时间过60min(出一点)。

如果要求后备时间为30min,则109×120=13080Ah·块,13080/32=409Ah,409/2=205Ah。

由于电池的放电功率与放电时间不是线性的,即不能只简单除以2,还需乘以修正系数,见表1,因此205×1.23=252Ah。即可选12V、65Ah电池4组(32块/组)。注意:实际后备时间过30min(出一点)。

如果要求后备时间20min,则409/3=136Ah,还需乘以修正系数,见表1,136×1.41=192Ah,即可选12V、65Ah电池3组(32块/组)。注意:实际后备时间过20min(出一点)。

其它情况,以此类推。

2 对于126Ah·块/kVA设计寿命五年的电池

计算方法和需乘以修正系数与前述一样,只是要把上式中的109换成126。

如果计算时间是一小时以上,要在按上述计算后再除以一个修正系数,见表2。

例如:前例的后备时间是3h,则109×120=13080Ah·块，13080/32=409Ah，409×3=1227Ah;还需除一个修正系数，1227/1.25=982Ah。

按照能量守恒原理,以上方法对于三相/单相或单相/单相UPS是一样的。如APC的秀康UPS,需正负两组(32块/组)电池,计算方法是一样的。注意“安时·块”的概念。

一般功率的UPS所配每组电池都是32块;电池并联数好不要过4组,以免影响电池组的均流和充电效果。

由上述可见,一般来说,只要记住109(或126)和1.23这三个数字就够用了。

以上是捷的粗算,不很精确。要想得到精确的结果,应参照电池厂家给出的电池放电特性。

UPS不间断电源在电磁兼容符合性问题的解决方案

根据多年来人们对电磁兼容的研究和实践的经验表明，假定在产品开发阶段解决电磁兼容问题的费用为1，则在型号研制阶段解决需要的费用可能为10，到批量生产时解决需要的费用可能达100，到现场安装时解决需要的费用可能上千倍或者无法解决。因此，UPS不间断电源电磁兼容的问题必须在产品的开发阶段解决。

针对UPS的产品特点，UPS的电磁兼容主要包含以下几个部分：电源的输入、输出传导干扰;电源的辐射骚扰;UPS的抗干扰特性。下面逐项阐述达到相关标准要求的设计方法。

1、输入、输出传导干扰的抑制

针对传导骚扰，可以从三个方面来考虑：干扰源、传导途径和直接的骚扰抑制。

A、干扰源的消除和降低：在UPS中有整流的AC/DC变换，有SPWM逆变的DC/AC逆变器，有PFC的高频变换电路，有DC/DC变换的回路，这些都是UPS内重要的骚扰源，尤其是其中的变压器、电感、高频电流回路，因此，合理地设计相应变压器和电感的参数、加工工艺和在整机中的布局将可能大幅度降低它们的骚扰强度，合理地设计高频电流的PCB、布线也可以改善UPS的骚扰;对于功率变换器中的驱动电路，可以在不影响效率和内阻的情况下加大驱动电阻，增加开关电源的上升、下降沿时间，从而减少电压、电流的高频谐波含量。

B、传导途径的抑制：由于所有的传导干扰只有通过适当的空间和导体途径才可能作用到UPS的输入、输出电源端子，因此，尽量减少传递的途径也是减低UPS不间断电源骚扰的有效方法。例如，将所有的干扰源安装在离输入、输出端子较远的位置，输入、输出的电源线不从干扰源附近走线，在干扰源的进出位置加强抑制处理，通过屏蔽手段将干扰源和其它部分进行空间隔离，电源的输入、输出等分别在整机的相对较远位置等。

C、直接的骚扰抑制：对于采用上述方法后仍然无法符合标准要求的情况，直接在输入、输出回路采用相应的EMI滤波器件，如电感、高频电容、滤波器等将可以再次有效压低UPS整机对外的传导干扰，实践表明，只要适当加大滤波器的相关参数和衰减的DB值，一般都可以将UPS的传导骚扰压低到标准的限值以内。当然，滤波器的安装必须越靠近输入、输出电源端子越好，因为即使是多几厘米长的接线也会增大干扰，插座式的滤波器将是为理想的选择。另外，在滤波器中的电容或外加的EMI滤波电容好是无感的，以增强滤波效果。

2、整机辐射干扰的抑制

对于UPS的辐射干扰，主要有两种方法：辐射源的强度抑制和辐射途径的处理。

A、辐射源的抑制：在UPS中，辐射源的辐射强度抑制方法基本同传导的处理相同，因为干扰源本身即有传导骚扰又有辐射骚扰;另外，对于辐射骚扰，对辐射源采取适当的屏蔽措施将可十分有效地降低辐射干扰的电平和能量。

B、辐射途径的处理:整机外壳的等电位设计：根据电磁场原理，一个接地良好理想密闭的金属六面壳体的内外电磁场不存在相互干扰，因此UPS的外壳一般应作成金属的，且各个面之间应良好连接，保证为一个等电势体，这样即可十分有效减弱UPS对外的辐射干扰。一般对于电磁兼容要求严格的场合，UPS的壳体不宜采用塑料制作。

进出UPS壳体连线的处理：由于UPS必须有输入、输出电源端子、电池扩展端子等连线进出UPS的外壳，因此这些线的防骚扰处理将十分重要，直接影响到测试的结果能否符合标准要求。一般在这些线上适当地加些高频磁环和高频电容就会有很好的效果。

3、UPS的抗干扰设计

UPS的抗干扰主要体现在控制电路的抗扰性，从电路的性质可分为模拟电路的抗干扰和数字电路的抗干扰两个方面。良好的抗扰性是保证UPS正常运行的条件，因此，在UPS的控制回路的设计初期就必须将控制电路的抗扰性考虑进去，否则，遇到外界骚扰时整套的控制方案将可能全部推翻。

A、模拟电路的抗干扰：

对于开环的模拟控制，一般针对可能出现干扰的部位适当加入一定的RC电路将骚扰消除;对于闭环的模拟控制，除了采用RC外，还必须对闭环的放大倍数的频率特性进行适当的调整，确保干扰信号加入时不会对环路产生恶果。

对于功率部分的电路，减短所有的连线、加入假负载、减小功率驱动的回路等都可以有效增强功率电路的抗干扰能力。

B、数字电路的抗干扰：

对于数字控制电路，其抗扰性对UPS的可靠性十分重要，因为目前几乎所有的UPS控制都有采用到数字控制的单片机，抗扰性差的系统将可能导致UPS的停机或损坏。

数字电路电源的有效滤波是数字电路不受干扰的基本保证;所有的I/O口应有适当的RC处理;控制电路应尽量远离功率部分;适当的电磁屏蔽措施;良好的PCB布局设计等都可以有效避免数字系统受到外界干扰。

应明确指出的是，对于UPS不间断电源闭环的稳压、同步控制，控制模型的抗干扰性和软件滤波处理方法在系统建模时就必须有充分合理的考虑，并在系统调试时做完整实验.

B、数字电路的抗干扰：

对于数字控制电路，其抗扰性对UPS的可靠性十分重要，因为目前几乎所有的UPS控制都有采用到数字控制的单片机，抗扰性差的系统将可能导致UPS的停机或损坏。

数字电路电源的有效滤波是数字电路不受干扰的基本保证;所有的I/O口应有适当的RC处理;控制电路应尽量远离功率部分;适当的电磁屏蔽措施;良好的PCB布局设计等都可以有效避免数字系统受到外界干扰。

应明确指出的是，对于UPS不间断电源闭环的稳压、同步控制，控制模型的抗干扰性和软件滤波处理方法在系统建模时就必须有充分合理的考虑，并在系统调试时做完整实验.