数据中心里的在线双变换UPS有什么特点？

作者：兰洋科技浏览量：4686 时间：2023年05月23日标签: UPS电源

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。