工业级UPS系统,凭借其更高的可用性,更强的可管理性和更低的成本,成为制造业如化工、运输、半导体以及采掘、电力、水处理等行业的生产线及自动控制系统等理想的不间断电源保护产品。但是工业级UPS与普通商用级UPS各有那些特点?文中做了仔细探讨。
选用工业级UPS系统,还是选用商业级UPS系统,需要考虑的因素很多。
1 可靠性
高可靠性是以系统的设计、工艺、配置来体现的。采用工业级甚至是军用级元器件,同时还要加大关键元器件的冗余度,以增强系统的抗冲击能力。在生产工艺上,对逻辑电路和通讯电路有更严格的屏蔽保护措施。配置输入和输出隔离变压器以增强系统的电气隔离性能,采用12脉冲整流器技术,内置电池保护开关、输入和输出开关、静态和维修旁路开关等各种保护开关。以上种种,都对工业级UPS系统提出了较高的要求。以某公司工业级UPS系列产品为例(外观见图1),它具备了以上所述的配置,以原装的顶级配置而成为具有较高可靠性的顶级UPS系统。采用了高效能DSP芯片(32位元150MHz,独立乘法器)实现全数字THDV控制16位DSP;并联无须平衡电抗,可多机并联;内置滤波器,THDi<10%,PF=0.96;板件集成度高;逆变与电池采用HCT;信号线/电子线独立走线,且无须采用隔离线;采用铜条/铝条,降低对模块应力的影响;符合YD/T1095-20085.27的安全要求。以极宽的输入电压和频率范围，可适应恶劣的电网环境，能够承受剧烈的负载波动冲击，抵御和消除各种电网质量问题,如谐波、过压、欠压、突波、电压下陷、停电、过载、短路、浪涌电流等发电机模式下，兼容错相运行。电路结构如图2所示。
通风方式为下进上出,自然对流,独立风道,热分流设计,适应高温、高湿、粉尘、盐碱、腐蚀性气体、震动等恶劣的工作环境。
2 环境
全球范围内,工业级UPS对环境具有较强的适应能力。作为UPS系统必须具备应对高温与高湿的能力。但由于其安装的地方通常空间不大,很难达到空气流通这一条件。也正因如此,UPS的设计均有一个关键的半导体组件,例如IGBT、整流器及散热片。
除了温度与湿度外,还需考虑周围的环境。环境中可能含有腐蚀性的气体,时间长了可能会降低变压器、电路板及空开等元器件的性能。但工业级UPS的元器件和配线,或是涂有一层电抗胶,以保证UPS的元器件及配线免遭恶劣环境的影响,或是配有专用的空气过滤器。当然,这些环节增加了工业级UPS系统的成本。工业级UPS的IP等级可达IP51,所有电路板均喷涂防腐蚀绝缘漆,具有绝缘、防潮、防漏电、防震、防尘、防腐蚀、防老化、耐电晕能力。而常见的商业级UPS,其IP等级一般仅为IP20。其巨大差异主要是因为工业级UPS需放置在车间、生产线等严重粉尘污染环境,而商业级UPS通常放置在数据中心、服务器机房等环境整洁、温湿度和洁净度受控的地方。因此工业级UPS无疑是恶劣环境中的不二选择。图3为某品牌设备现场使用情况。造成这种场景最主要的原因是此款产品是按常规的商业机进行设计,特别是风道的设计非常的不合理。造成粉尘随风道聚留在机器的主要部件上,这样的产品使用6个月左右会发生故障,严重影响其使用寿命。
工业级UPS系列采用独特的风道设计,电子控制部件和主要散热部件的风道完全隔离。这样做的目的是保护好主要部件不受污染,同时主要散热部件的热量不会对电子部件产生热*,确保整个系统的可靠性。图4为某公司工业级UPS独特的系统风道设计照片。
与工业级UPS对环境的高适应性相反,商业级UPS通常放置在受控的环境中,,对环境的适应能力较差。但它具备了系统监控的功能,有利于保证UPS以及关键的服务器、路由器、存储器等设备处于最佳的性能状态。如果工业级UPS系统也具备相关性能,以适应IT应用的所需,如系统监控,那工业级UPS在可靠性要求比较高的商用要求下也是非常好的选择之一。
3 制冷
工业级UPS对高温环境下的运行能力给予特别的设计考虑。元器件的设计不仅需要适应工业环境的运行要求,还应能承受各种关键负载的变化。也正因如此,大部分工业级UPS都配备了可监控的冗余风扇系统。与此相反,商业级UPS则须运行在空调的环境下。
某公司的工业级UPS采用了N+1冗余通风设计。即风扇冗余,运行中的风扇发生故障时,仍能正常工作。同时,还采用了RPM风扇转速检测监控技术,当转速低于预设值时会报警,杜绝了由于风扇损坏致使UPS高温停机才报警的可能。另外,风道的设计按照元器件对温度的敏感程度进行顺序冷却,通风方式为下进上出,自然对流,独立风道,热分流设计,再辅以高规格等级和高冗余度的元器件,使其即使在40℃高温且无风冷的情况下仍能连续运转。
4 操作
工业级UPS系统通常是由现场的技术人员来维护的,所以需要能够做到模块级维修,因此机器设计必须考虑现场对关键部件的隔离能力,同时准备充分的维修说明文档等。维修本身不仅需要时间,还要求在维修时,机器切换到旁路工作状态,工业级UPS还必须具有比应用于机房环境的商业级UPS更强的承受能力。
工业级UPS系统在非冗余模式下的应用也很典型:有专用分配系统的电源模块,唯一后备便是旁路电源,电源模块也逐渐趋向于更小。检测仪器与过程控制或关键PLC这些关键项都需要保护,以保证存储或保证现有状态不被丢失,因此系统下游的受控部分所得到的保护电源就更少了。
大部分机房中的UPS系统都是冗余配置,不仅是为了保证电源自身的工作容量,并且能够在一组电源停止工作的情况下避免对关键负载的损害。长期依靠旁路电力对于任何一个IT经理来讲都不是一个标准的操作程序,其危险太大了。而负责维修这些复杂系统的技术人员则会以一个组件的方式处理这些事情,如现场隔离机器部件及更换备用部件,这样可以减少停机时间并使系统更快地恢复,亦可降低数据中心的运营风险。
5 工作寿命
工业级UPS系统在设计时会加大元器件的设计余量,这样UPS系统在典型的工业环境运行中将有超过100,000h的MTBF。但有一些元件,如制冷风扇、DC电容器等元器件会降低使用寿命。甚至会低于保守设计余量。像发电厂等工业级UPS的用户,通常会将UPS的使用寿命设定在20～30年内。石化行业的UPS的工作寿命大约为10～15年。
在商业级UPS市场上,UPS的型号会在5年内过时。而现代数据技术的变化也会使数据中心的寿命少于5年。对市场要求非常了解的供应商,会将设计投入更多地集中在如何使商业级UPS价格更便宜、体积更小,效率更高的问题上。
6 服务方式
不论是工业级还是商用级UPS,设备的服务访问方式都很重要。
在工业环境中,UPS会根据车间的布局摆放在不同的地点。在分布式放置(即UPS位于保护设备的附近)和集中式放置(即UPS位于保护设备的辅助设施中)。这两种情况下,大部分设备维护人员都喜欢前端访问的服务方式,无需拆除侧板或背板就能够进行维修、检查和预见性的维护。
商业级UPS通常会安置在专用房间中,这种构成有助于制冷和电源分配。大部分的商业级UPS系统倾向于集中式放置,这样维护人员从正面或背面即可对设备进行维护。
7 运输
工业和商业UPS的运输都需要较大的资本支出,都需进行特别的规划和周密的场地准备。UPS设备在到达客户的现场时,通常是装在运输用的板条箱中。将设备部署入位通常需要****车、吊车或起重机等。
工业UPS因内部配置较高,所以机器相对也会较重。因此工业UPS在设计和安装时,需特别注意搬运和承重等问题。
8 后备时间
商业级UPS的电池后备时间是依应用而定,如果有备用发电机,后备时间只需要支持到发电机电源稳定后即可。通常商业级UPS应用密封阀控的铅酸电池,其后备时间在10～30min的范围内。因为商业级UPS电池的后备时间通常不需要像工业应用中那样,充电时间也不受重视。而典型的商业级UPS充电器是将一个后备时间为15～30min的铅酸电池在8～10h内充至95%的容量即可。
比较而言,工业级UPS系统的充电器容量就大得多,因为电池的后备时间是60min到8h或更长。则UPS至少得具备在充电器中有足够的重复充电容量的这一特性。这一点在工业应用中尤其重要,如发电厂通常会使用后备时间为4～8h的UPS电池。
9 物理设计
工业级UPS的机柜是由质量好且厚度在2mm或以上的厚钢板制成。为更好的保护装于其中的UPS,还会在机箱表面刷上一层厚厚的专用防护喷涂。通常工业级UPS的电源及控制组件在防湿及防污染方面都可以达到IP40或IP42标准,甚至可达到IP51。而商业级UPS采用的是塑料机箱,且内部无特殊的防湿防污处理,防护等级只能达到IP20。
10 工业EMI/RFI
数据中心交流电分配系统的设计可保护UPS免受来自交流干线和旁路输入馈线的EMI/RFI的影响。专用输入电源馈线与绝缘变压器的使用不仅减少了EMI/RFI,同时也减少了交流干线上的有效漏电的电流。
在一些工业应用中,UPS的交流输入电源来自开关设备或电机控制中心(MCC),并且通常与一些电动噪音大的负载(如变速驱动等装置)共享母线连接,对于这一应用,输入隔离变压器显得尤其重要。
11 通信
通信功能在UPS系统的选择中占据着非常重要的地位。SNMP及以太网是UPS系统信息最常用的收集方式。商业级UPS通信功能可能受到场所及环境的限制。正因如此,Modbus通讯协议、以太网或继电器输入/输出接口在工业应用中受到欢迎。
工业级UPS内置了带有环境监控功能和继电器输入/输出接口的网络管理卡,使得它不仅可以在工业应用中大显身手,在对管理功能要求很高的商业级应用中,也显得游刃有余。
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