Technical Measures to Realize High－ reliability of UPS
暨南大学电力电子研究所徐永福（广州510630）
1引言
产品长期运行的可靠性，所有用户都是非常关心的。众所周知，可靠性是衡量产品质量的重要指标。尤其是UPS这类特殊产品，作为电脑系统的“保镖”、“心脏”，其可靠性更显得重要，也是一些特殊用户极为关注的。
产品可靠性的内容包括固有可靠性及使用可靠性两个方面。固有可靠性是指产品从设计到制造整个过程所确定的内在可靠性，它是产品的固有属性；使用可靠性是指产品在实际使用过程中的人为因素及环境因素（包括安装技巧、维护技术、环境状况、操作人员素质等）对产品的寿命及功能发挥产生的重大影响。 产品可靠性的数量指标有：可靠性、失效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度、重要度等。对于UPS这类可修复的产品，我们常用平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）和平均维修时间MTTR来表示。MTBF越大越好，不同品牌UPS有不同的MTBF，现有单机的MTBF从10万小时到330万小时，因此UPS的可靠性指标是有很大差别的。还有一点需特别指出：是逆变器输出的MTBF还是加有旁路系统（BYPASS）的MTBF？这是有很大区别的。据有关资料介绍，两者相差约15倍。例如，加有旁路系统UPS的MTBF为20万小时，那么仅逆变器输出的MTBF约1.4万小时，因此用户应了解MTBF的含义，避免误导。另一方面，MTTR数值越小越好。对于单机运行的UPS来说，当逆变器出现故障时，会转换至市电旁路供电，虽然是不间断供电，但此时负载是由市电供电，其市电质量如何却无法保证，因此需要迅速修复逆变器，保证负载由逆变器供电，但修复时间是由售后服务响应时间和现场维修时间决定的。售后服务响应时间，对不同的代理商可以有很大的区别；现场维修时间一般为1至几小时之间。如果缺乏维修备件或技术不熟练，MTTR将会延长。
分析UPS的可靠性，必须从产品的设计、研制、生产及使用等过程中去讨论。 2UPS关键功率器件IGBT/IPM
UPS基本原理是AC/DC及DC/AC两个变换，其变换的核心功率器件，M－UPS（注M—外国某公司代号）从60年代的可控硅（SCR）、70年代的达林顿晶体管（GTR）、80年代的场效应管（MOSFET）到90年代的智能化的绝缘栅双极型三极管（NEWIGBT，IPM），其实M－UPS的发展历史，就是功率器件发展的历史，功率器件的优劣，直接决定UPS质量的高低。
目前M－UPS是采用第三代IGBTA级IPM，它是世界第一品牌的功率器件。该器件模块内置驱动电路及短路、过流、过温、控制电源失效等保护，具有高功率、高速开关、低驱动功率、低运行功耗等优点；同时由于是M公司自己独立开发生产，对其器件的物理参数及其性能特点掌握非常清楚，因而在电路设计上能更好匹配，发挥其更大的功效，并带来较高的可靠性。 3电路设计的全数字化和集成化
（1）M－UPS不仅DC/AC采用数字化，而且AC/DC也采用高频PWM数字化技术，因而M－UPS从AC→DC→AC全过程皆为数字化，变换、控制、反馈、测量、显示、通讯等均采用新颖的数字技术。
（2）M－UPS采用数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制技术。由于32位数字器件的出现以及达到10ns的运算速度，因而获得了极其精确和快速的控制能力。
（3）M－UPSAC→DC及DC→AC分别单独采用DSP控制，而且输入部分与输出部分的系统控制也由DSP控制，它们组成一个非常完善的负反馈系统，不管输入端市电如何变化及输出端负载如何变化，都能使UPS保持稳定可靠工作。
（4）M－UPS采用大规模的半导体专用集成电路（ASIC,ApplicationSpecifiedIG,DSP）所构成的直接数字控制DDC（DirectDigitalControl），有别于其他品牌UPS所采用的较落后的微机控制技术，因而使M－UPS控制更准确、更精密、更可靠。
（5）M－UPS采用电压反馈、电流前馈、电流局部循环等专利技术及采用DSP控制方式，使其UPS在100％非线性负载满负荷时，输出电压波形的失真度仍非常小，明显优于其他品牌只采用电压反馈的UPS。 （6）全数字化的设计，使M－UPS具有非常良好
附表M－UPS检测结果
标准与要求（输出电序项目单流电压为额定值、输号 名称 位 入电压） 检测结果 检测结论 <3kVA（非在线式）＋％22010－15％ 〈3KVA（在线式）输入<3kVA（非在线式）220 <3kVA（在260∽440（＋＋％22010－15％ 合4 电压V 线式）220 3∽10kVA（在线式）15.8％,－3-10KVA（在线式）格 范围 220/380 ≥10kVA（在线式）380 31.6％） ＋％220/38010－15％ 〉10KVA（在线式）＋％38010－15％ 的自我诊断功能，能迅速排除故障的征兆，从而提高可靠性。
（7）大幅度减少零件数量，从而大大降低了故障发生率，提高了UPS的可靠性。
M－UPS也曾用过“六脉冲整流”，“十二脉冲整流”的传统电路，当研制出新型功率器件（NEWIGBT＆PIM）后便迅速把AC→DC的变换从模拟方式变为数字方式，从而使M－UPS摆脱传统的、落后的技术，而一跃成为世界著名品牌的UPS。
M－UPS制造商的概念是采用最现代技术，使其UPS获得高性能和高可靠性。全面质量管理（TQC循环）就是UPS产品在开发设计、生产制造、售后服务三个环节上不断循环，以求用户满意。 4优异的技术指标
用户对UPS不外乎要求优异的技术指标和高可靠性。M－UPS具有下述优异技术指标：
（1）高输入功率因数。输入功率因数实测为0.999。这不仅具有减少电网污染及市电无功损耗的环保与节能双重功能，而且还能以1：1的功率比来配备自备发电机，而其他品牌UPS则可能需要2～2.5倍发电机功率的配置，这无形提高了M－UPS与自备发电机匹配运行的可靠性。
另外，由于高输入功率因数，不仅可减少UPS配电设备（变压器、断路器、电缆、进相电容等）的容量，减少投资，而且更重要的是提高了系统（包括输入配电）运行的可靠性。
（2）宽输入电压范围。输入电压允许范围为＋15％～－30％，在中大功率UPS当中还未见到另一品牌UPS经过权威单位检测达到此指标，如附表所示。
当市电超出输入电压范围时，将起动电池供电，长期如此，将大大降低蓄电池的使用寿命，不但增加UPS运行成本，而且最重要的是当需要电池供电时，电池可能已“过放”造成停电事故，降低了UPS系统 运行的可靠性。
（3）低直流总线（BUS）波纹系数。“六脉冲整流”是低频（50Hz）工作，而AC→DC变换器是高频(8～10kHz)PWM变换，因此直流滤波电容将大大减少。“六脉冲整流”为了降低直流BUS纹波，常采用数十只大容量电容并联，为了降低成本常选用电解电容，但电解电容在长期工作后常发生电解液干涸及漏电严重的现象。这些都是引起UPS不可靠工作的常见原因。M－UPS由于采用“高频整流”，因而滤波电容容量可降至电解电容的1/10，因此电容故障率可大为降低。
（4）低输出谐波失真。在100％的非线性负载下，输出电压波形失真度为：THD≤3％，而其他品牌一般为THD≤5％。从百分数看起来相差不大，但这是一个从量变到质变的过程，降低THD1％～2％，需要采取多方面电路设计措施。如果没有全数字化技术，没有双DSP控制是很难达到此指标的。众所周知，UPS大部分故障是由于非线性负载瞬间变化的冲击造成的，M－UPS对非线性负载的适应能力是很强的，故可靠性是很高的。
（5）混合型晶闸管开关。M－UPS从逆变器输出切换至旁路是采用可关断晶闸管（GTO）的静态开关与电流接触器并联方式，既满足了高速切换，而GTO器件又可以采取自冷方式，因此UPS体积小，而且提高了效率及可靠性。
（6）市电输入具有软起动功能。当输入交流电源恢复时，由于M－UPS设计有软起动功能，使输入电流缓慢上升，减少了UPS对输入电源的冲击，无论是由市电或自备发电机供电，都有利于提高转换的可靠性。
（7）逆变器输出端无晶闸管静态开关。M－UPS由IGBT/IPM功率器件组成的逆变器能够抑制瞬时大电流冲击，无需在UPS逆变器输出端接上其他品牌UPS都必须接入的晶闸管静态开关，此技术使M－UPS获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。当UPS由自备发电机供电时，而自备发电机容量又不足，则UPS可以将输入容量限制在自备发电机的最大输出容量，不足部分则可由蓄电池供给，这样可以提高供电系统运行的可靠性。
（9）三相独立控制功能。M－UPS采用三相独立，瞬时波形控制，输出端可适用于单相或三相负载，同样可以提高供电系统运行的可靠性。
（10）非线性负载适应功能。M－UPS由于采用数字化及快速反馈技术，负载波峰因数比CF=3.6，对于100％非线性负载从空载（0％）到满载（100％）跳变，输出端电压的变动也极其微小，从而大大提高其适应任何负载运行的可靠性。 5高超的冗余并机技术
大功率UPS虽然可靠性提高，但由于使用环境的突然变化（如市电电压超出范围、负载瞬间故障）、运行人员的错误操作、UPS本身零件的老化、个别元器件早期失效等因素都会导致UPS发生故障，对诸如金融、航空、医疗、邮电、交通、国防等系统要求供电质量很高的负载，还必须进一步提高UPS的可靠性。 近年来世界上发展了多种方法来扩展大功率UPS系统的平均无故障时间，其中冗余并机技术发展较为迅速。冗余方法确能提高USP系统的可靠性，但如何实现“冗余”却是值得研究的问题。M－UPS由于采用全数字化电路设计，因而具有高超的冗余并联运行技术，有别于并机柜、并机板、并机模块及无线并机等并机方案。
（1）并机运行的UPS配备独立的电压与相位控制，没有公共控制部分，不存在“瓶颈”现象。 （2）并机调试非常简单，只须每台UPS参数设置好后，即可投入并联运行，不需要像有些品牌UPS要在满负荷运行时调节功率均分。
（3）由于M－UPS全数字化控制及软件设置参数，并机运行的每台UPS输出波形、相位及电压值都非常一致，因此并机环流几乎为零，这样除了提高运行效率外，更重要的是提高并联联运行的可靠性。 （4）在没在并机柜的条件下，可以多机并联运行。理论上不受并机台数的限制；目前已投入实际运行的系统为8台UPS并联运行。
（5）在并联系统中的一台UPS发生故障及正在维修时，负载仍能保证由UPS供电，不像有些品牌UPS需要转入维修旁路，M－UPS能真正做到脱机维修，这是提高并机系统可靠性的关键所在。 （6）超长的平均无故障时间，两台UPS并联加上静态旁路系统，使MTBF数值大幅度提高。 由于M－UPS采用优化的设计、先进的工艺、严格的生产管理，使其具有很高的固有可靠性；同时由于M－UPS采用高质量、高可靠的功率器件IGBT/IPM，全数字化的设计，直接数码控制技术，使其在世界UPS品牌中脱颖而出。它除了具有高质量、高指标、高可靠、多功能等特点外，还兼具节能、环保功能，它不仅满足今日的需要，更是UPS今后发展的方向。
作者简介
徐永福男1938年生，研究员级高级工程师，暨南大学电力电子研究所副所长，广州中明电力电子实业有限公司董事、总经理。长期从事电力电子产品的开发研究、使用维护，具有坚实的理论基础和丰富的实践经验，曾在国内外刊物上发表有关论文约30篇。
收稿日期：2000.2.25定稿日期：2000.3.5
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