UPS应具备哪些电性能指标

　　UPS应该具备的电性能指标是由UPS应具备的7个方面的功能决定的，除了对一般电子设备的物理环境和安全方面的要求外，这里主要针对与UPS设备及供电系统有关的6类要求:

　　(1)对电网环境有很强的适应能力;

　　(2)应向负载提供符合要求的高质量电源;

　　(3)有很强的输出适应能力和可靠性;

　　(4)UPS系统配置功能;

　　(5)UPS智能管理与通信功能;

　　(6)有很高的可用性与维护性。

　　下面列出了6类近30条UPS的性能指标，并针对为什么要规定这些指标，指标的物理概念是什么，负载对每项指标的要求是什么，每项指标的定义和检测方法是什么等问题，逐条加以说明。

　　UPS对电网环境的适应能力

　　对电网环境的适应能力是UPS设备最重要的功能，是它能否推广使用的首要因素，在这方面的电性能指标主要有以下儿个。

　　(1)容许电网电压幅值变化的范围

　　这是一项能代表UPS性能优劣、产品说明书中必须明确的重要电性能指标，它代表着UPS变换器对输入电压偏离正常值时的调控能力，同时也可反映UPS的输出容量和容量余量。

　　当电网电压幅值的变化范围超过UPS的设计值时，与负载过载一样，UPS变换器进入超常工作范围，必须转电池逆变工作状态。此范围的设计值越大，在电网电压幅值变化的过程中，UPS转换到电池逆变工作的次数就越少，电池就有更多的时间处在容量充足的备用状态，一旦电网电压大幅度跌落或者供电中断时，UPS才能有效地发挥不停电供电的功能。

　　电网电压幅值的实际变化范围随电网供电容量的大小、输配电设备质量的好坏、用电负载量的大小等条件的不同而有很大的差别。在供电条件较好的城市和工业区，变化范围通常限制在士15%左右，而在供电条件较差的农村和边远地区，变化范围要大得多，有时甚至达到20%一30%。通常人们认为UPS的输入电压范围越大越好，这样可以在市电电压波动时减少UPS转换到电池供电的次数，延长电池寿命，但输入电压范围过大时，也会提高UPS成本并降低运行效率及可靠性。

　　当市电输入电压幅值接近输入电压额定幅值时，UPS的整流器(特别是PFC高频整流器)和逆变器都工作在设计最佳状态，而输入市电电压过高和过低时，都会加大整流器的负担，UPS设计时应充分考虑到市电偏差极限时整流器和逆变器的功率余量(包括功率管的电压电流容量、电容器的容量和耐压、输入断路器的电流限值和导线容量等)。当输入电压范围过大时，成本必然会大大提高，况且即使有足够的功率余量，当UPS工作在输入电压偏差极限时，因工作状态的恶化，UPS的运行效率和可靠性以及使用寿命等也会明显降低。

　　特别应该提示的是，当输入电压处于上下极限值时，例如超过士10%，UPS就会失去转旁路运行的功能。其原因是，为了确保UPS在执行主交流市电逆变供电和市电旁路供电的相互转换过程中对负载的供电不会出现中断，两种输出方式在转换过程中是存在供电重叠时间的，如果市电电压过低或者过高，就会在UPS逆变输出与旁路输出之间出现过大的电压差而产生过大的环流，这会损伤逆变器并对系统形成干扰，所以UPS通常把转旁路时的输入电压范围限定在兵士10%，这也是负载通常所能接受的电压范围。对于一个允许输入电压范围在士20%一士30%的UPS，当输入电压幅值超过士10%时会失去转旁路的功能，进入系统异常运行状态。在这种情况下，一且负载过载、逆变器故障或者机内环境温度过高，UPS就执行"自动关机"操作，使负载供电中断;或者执行有间隙的转市电旁路供电，即先断开逆变器输出，再接通市电旁路开关，使负载供电中断时间在100ms以上，并且在转换前后出现电压幅值的突变，这显然是负载所不允许的。

　　对于大功率UPS，电池充电电压直接取自整流器输出的直流母线电压，当电网输入电压过低时，就无法保证向电池提供足够的浮充电压，电池实际上处在放电状态，因此就不能保证有足够的储各能量。当电网发生故障转电池逆变工作状态时，也就不能保证所需要的不停电备用时间。

　　UPS厂商提出的可靠性指标肋朋F@实际上是包括转静态旁路供电的，叨?S不能转旁路时，其可靠性指标要低得多，例如带转旁路功能的UPS的MTBF值是10万小时，当该UPS不能转旁路时，其M朋F值通常只有3万小时左右。

　　基于以上原因，对于那些电网电压波动范围过大的地区，最好在UPS前级配置适当的交流稳压设备。

　　(2)1UPS输入功率因数

　　UPS作为供电系统的一个重要环节，同时又是电网的负载，因此与其他负载一样，它的输入功率因数同样是衡量它是否对电网形成在污染的一项重要的电性能指标。输入功率因数低，就意味着它在从电网吸收有功功率的同时，还要吸收较多的无功功率，其结果是增大系统的配置容量，影响系统的供电质量，降低UPS的工作效率，增大UPS系统的运行成本。如果配置一台输入功率因数为0 8，输入功率为lOOk讽的UPS，在UPS输出满负荷的情况下，叨冶要从电网吸收8OkW的有功功率，同时还要吸收6OkW吹的无功功率，那么就需要对该系统配备至少150k讽的用电容量。如果用柴油发电机供电，就需要2一4倍容量的柴油发电机系统，当然配电设备(开关、变压器和传输等)的容量和成本也要大幅度地增加。

　　各种电路结构形式的UPS的输入功率因数也不同，后备式和线交互式UPS的输入功率因数等于UPS输出负载的功率因数。当市电正常时，它们的调压环节不具备功率因数调控功能，但它本身也不对电网增加功率因数的失真。传统双转换式UPS的输入端AC仍C变换器是可控整流滤波电路，由于高次谐波的影响，其输入功率因数很低，满载时只有0 8左右，而且与皿?S输出负载的性质无关。在输入端配置了12脉冲整流环节和1I次滤波器的UPS，在满负荷情况下输入功率因数可提高到0 95，在输入端采用了高频整流PFC(高频机)的传统双转换式UPS以及由高频变换串并联补偿电路构成的UPS(Delb变换技术，它的串联变换器是一个理想的正弦波电流源，实际上等效为一个典型的功率因数校正电路)，输入功率因数都很高，在很大的输入电压和负载范围内都可达到0 99，而且与UPS输出负载性质无关。

　　电力部门对用电设备的输入功率因数是有要求的，特别是大功率用电设备，其输入功率因数应在0 95以上，当不满足要求时，就必须配置无源或有源功率因数补偿环节和设备。如果叨，S的AC仍C变换器由6脉冲整流改为12脉冲整流，并配置相应的电感电容滤波环节，可将这类UPS的输入功率因数在设计额定负载时提高到0 95以上，但整机成本要增加20%左右。当叨?S输出负载量低于设计额定值时，其滤波功能就要明显地降低，而且当输入电压波形失真过大时，可能会引起输入滤波环节的振荡，危及UPS主机和电网的安全。

　　当系统对输入功率因数限制较严格时，还可以与UPS配套使用有源滤波器，它同样可以在很大的输入电压和负载范围内把输入功率因数提高到0 99(参看第4章第5节)。

　　(3)输入电流的谐波成分

　　当输入电压为正弦波时，输入电流的高次谐波成分形成的输入功率是失真功率，这是造成UPS输入功率因数低的一个重要因素(见第4章公式4-9、4-10、4-15)。特别是当输入端的AC/DC变换器是可控硅整流滤波电路时，实际上是由6脉冲整流构成相位可控的整流器(指三相输入的UPS)，再加上在可控硅的换相过程中存在着瞬间短路现象，因此在输入电流中存在着很高的谐波成分。与输入功率因数的情况一样，各种电路结构形式UPS的输入电流谐波成分也不同，后备式和线交互式UPS的输入电流谐波成分与UPS输出负载相同，它们本身并不增加谐波失真，传统双转换式UPS的输入电流谐波成分最高，典型值是30%。而且与UPS输出负载的性质无关;12脉冲整流可将这类UPS的输入电流谐波成分降低到10%，在UPS的输入端增加功率因数补偿电路PFC(高频机)后，可将这类UPS的输入电流谐波成分降低到5%以下;由高频双变换串并联补偿电路组成的UPS(Delta变换技术)的输入电流谐波成分最多也在5%以下，而且与UPS输出负载的性质无关。

　　输入电流谐波成分不仅是造成UPS输入功率因数低的直接原因，而且还对电网产生严重污染,其危害包括：

　　(1)对电网和使用同一电网的其他用电设备形成公害，影响变压器、发电机、电动机和电容器的正常运行，便其损耗增大、发热、绝缘老化、寿命降低;

　　(2)导致异步电机转矩降低、震动加剧、噪声增大;

　　(3)引起继电器自动保护装置误动作;

　　(4)导致计算机等精密电子设备运行不正常;

　　(5)对通信线路、测量线路产生辐射干扰，使测量仪器、仪表误差增大;

　　(6)影响电能计量精度。

　　随着电磁兼容性EMC问题被日益重视，对整流滤波电路的电流谐波进行限值已被提到议事日程上来。有两方面的标准对谐波电流的限值做出了规定:一方面来自电力系统的限制，例如GB叮14549《电能质量——公用网谐波》，它对注入电网的谐波提出了限值要求，但由于很多用户共同连接在同一个电网上，又有一个电流或容量分配的问题，而且最终还得由电网谐波电压是否超限来决定，因此此标准实施时有较大的难度;另一方面是电子类产品标准中对谐波电流的限制，如IEC555-2《家用电器及其他类似电器的谐波电流限值》，此标准已在1993年被废止并明确由IEC61000-3-2《接入低压交流电网设备的谐波电流限值》代替，其具体要求见表2-1。

　　IEC61000-3-2标准仅适用于输入相电流小于16A的设备。

　　1995年，IEC又颁布了IECl000-3-4，并于2000年修订为rEC61000-3-4，它是针对输入相电流，16A设备的谐波电流限值，此标准与IEC61000-3-2的主要差别是它以谐波含量百分比(INI1%)来表示。

　　IEC61000-3-4规定的限值分儿个等级，第一级限值可以不受限制地接入公共电网，第一级限值见表2-2。

　　(4)电网频率容许的变化范围频率跟踪范围

　　当市电正常时，UPS输出电压的频率是不稳定的，它随时都在跟踪电网电压的频率。对于后各式、线交互式和高频双变换串并联补偿电路(DeIta变换技术)构成的UPS，它们的输出电压频率自然就是电网电压的频率，而传统双转换式UPS由于它的输入AC仍C变换器已经将交流变成直流，所以它的输出逆变器可以跟踪电网电压的频率，也可以不跟踪电网电压的频率，而以自振频率工作。为了增加叨?S的输出能力和整机的可靠性，一般的双转换式UPS都配置了静态旁路开关。当UPS正常工作时，静态旁路开关处于断开状态;当UPS输出过载、设备内部过热或者UPS逆变器发生故障时，就切断UPS逆变器的输出，同时切换到静态旁路开关，由电网直接对负载供电。因为静态旁路开关的设计容量远大于逆变器的设计容量(例如5倍)，并且它本身可靠性较高，这样就大大提高了UPS的输出能力和整机的可靠性。为了保证逆变一旁路转换过程的可靠性，使其不至于因瞬时的环路电流而烧毁逆变器，也为了使输出电压不至于在市电逆变一市电旁路转换过程中发生大的相位电压幅值的变化，就必须在主交流市电逆变正常工作时，逆变器工作频率随时都跟踪电网电压的频率，使两者同频、同相。事实上，所有配置了静态旁路开关的UPS当发现逆变频率不能跟踪电网频率时，就在输出过载、过热或者UPS逆变器发生故障时拒绝执行转旁路的动作，或者做有间断地转换，使输出电压中断。

　　同步范围受两个方面的制约:一是负载容许的频率变化范围，二是UPS逆变器允许的频率变化范围。逆变器和负载都是按额定频率5OHz设计的，工作频率过高或过低对运行状态都会有不利的影响。特别是在配电系统和UPS主电路中，或是负载输入端和UPS输出端配有变压器、电感、电容等部件时，允许工作频率变化范围的限制更严格。当工作频率变化时，这些器件的线性工作范围和阻抗数值都发生了变化，影响电路工作的稳定性，甚至造成设备故障。

　　规定频率跟踪范围这项指标，并不意味着电网电压的频率会有多大的变化，电网电压的频率通常是很稳定的(电网频率在传输过程中是没有任何损耗的)，一般波动范围可限制在1%以内，而UPS的这项指标规定得都比较宽，例如4%、6%、8%。之所以规定这么宽，是因为市电停电时UPS可能是由应急发电机或者是由频率不稳定的专用电源供电的。特别是应急发电机，在输出突然加载和负载(UPS)电流中有高次谐波成分时，其输出频率会发生较大的变化，输出电压幅度也随之变化，使UPS与发电机的匹配失效，系统处于不稳定状态。以传统双转换式UPS为例，由于它的输入功率因数低，输入电流谐波成分大，当UPS输入端配有柴油发电机时，耍配置2一4倍UPS容量的发电机才能使系统稳定运行，而输入端采用高频整流(PFC电路)的双转换式UPS以及高频双变换串并联补偿电路(Delta变换技术)组成的UPS，由于电流谐波成分(5%，只要配置1 3倍UPS容量的发电机就能使系统稳定运行。

　　(5)频率跟踪速率

　　频率跟踪速率是指当市电频率变化时，逆变器工作频率跟踪市电频率变化的响应能力，以Hds表示。UPS逆变器工作频率对输入电压频率跟踪是个有差调节环节，两者不仅存在着数值上的差别，还存在着跟踪调节动态过程时间的差别。频率跟踪速率过大(例如4Hds)肘，逆变器对市电频率的变化过于敏感，当市电电压波形高次谐波成分过大或波形畸变严重时，逆变器都可能误认为是市电频率变化而盲目跟踪，从而造成逆变器工作频率不稳定或者抖动;反之，如果频率跟踪速率太小，则在市电频率变化的过程中，逆变器工作频率在大部分时间内处于与市电频率同步超差状态，此时一旦输出过载、逆变器发生故障或机内温度过高时，都会影响逆变转旁路动作的响应时间和切换的可靠性。

　　(6)对物理环境的适应能力

　　这方面的指标包括环境温度、环境湿度、振动冲击、海拔高度、抗雷击能力及某些特殊的安装条件。对UPS使用、安装的物理环境作出规定是必要的。在UPS设备中，有对洁净度要求高的高密度逻辑控制电路，有对绝缘度要求高的工作在高电压(几百伏)状态下功率器件，有对环境气压有要求的密封器件，有对湿度变化敏感的半导体器件和蓄电池，有重量密度很大的电感变压器等，因此环境温度、湿度、洁净度、海拔高度、振动冲击等物理条件都会影响UPS的工作状态和可靠性。一般情况下，UPS设备都是与精密的负载电子设各处在同一个环境中，有较好的机房和温湿度调节措施，所以只在常规条件下对以上环境物理量做出规定。对于特殊的用电场合，例如安装在洁净度很差的室外环境中，开机和工作环境温度在零下几十摄氏度;工作在露天太阳直晒情况下，环境温度在40C以上;安装在海拔3000m以上的高原地区，安装在车、船等移动场合等，要根据具体的工作环境对UPS的使用容量、元器件的选用以及安装结构等做特殊的处理。