如何進(jìn)行數(shù)據(jù)中心機(jī)房UPS電源檢測

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 前言 ：

為了保證計算機(jī)的工作穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)安全準(zhǔn)確，越來越多的UPS電源被使用在計算機(jī)機(jī)房中，有的還稱UPS電源為計算機(jī)的保護(hù)神，UPS電源的安全運(yùn)行也成了重中之重，下面本文分享UPS電源技術(shù)分類與應(yīng)用以及UPS電源必須要檢測的AC/DC變換技術(shù)、集成穩(wěn)壓器、電源技術(shù)功率變換電路。

（一）UPS電源技術(shù)分類與應(yīng)用

(1)平時把能量以某種形式儲存起來，使用時再變成電能供給負(fù)載，典型的設(shè)備就是人們常見的各種蓄電池。

(2)把其他能量轉(zhuǎn)換成電能，例如水力、火力、風(fēng)力及核能發(fā)電等，一般稱這種電游、為一次電源(俗稱電網(wǎng)或市電)。

(3)在電能傳輸過程中，在一次電源與負(fù)載之間對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換或穩(wěn)定處理，一般稱這種電源為二次電源(即對已有的電源進(jìn)行控制)。

這里敘述的主要是二次電源，即把輸入電源(由電網(wǎng)供電等)變換成在電壓、電流、頻率、波形及在穩(wěn)定性、可靠性(含電磁兼容、絕緣、散熱、不間斷供電、智能監(jiān)控)等方面符合要求的電能供給負(fù)載，這是目前應(yīng)用最廣泛的電源技術(shù)領(lǐng)域，主要研究如何利用電子技術(shù)對電功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換及控制，它廣泛運(yùn)用電磁技術(shù)、電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)等學(xué)科理論，具有較強(qiáng)的綜合性，在工程上一般稱此領(lǐng)域的技術(shù)為"電源技術(shù)"。

為了與其他方式相區(qū)別，通常把利用電子技術(shù)構(gòu)成的電源設(shè)備稱為"電子電源"，電子電源的工作頻率由低頻(幾赫)到高頻(兆赫級)，輸出電壓從幾伏到幾十千伏，輸出電流從微安級到萬安級，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對電源技術(shù)的要求越來越高，規(guī)格品種越來越多，技術(shù)難度越來越大，涉及的學(xué)術(shù)領(lǐng)域也越來越廣。就其技術(shù)本身而言，可分成三類:

(1)直流電源:輸入電源可以是交流電或直流電，可以是單相交流或三相交流，輸出量是直流電(含穩(wěn)壓或穩(wěn)流)，包括線性控制和開關(guān)控制兩種。

(2)交流電源:輸入電源多為單相或三相交流電，輸出量仍為交流電(單相或三相，當(dāng)輸人量為直流電時稱為逆變器)，含穩(wěn)壓、穩(wěn)、流、穩(wěn)頻、不間斷供電等類型。

(3)特種電源(或稱工業(yè)電源):例如電鍍、電解、電焊、激光、高壓等類型電源，輸入量多為交流市電，輸出量有直流、交流或脈沖形式。

電源技術(shù)的基本內(nèi)容：一般情況下，電源技術(shù)的主要內(nèi)容包括以下幾個部分:電力電子器件、功率變換電路、電源整機(jī)及系統(tǒng)等，電力電子器件：

(1)不控型器件:主要是各種功率二極管，包括工頻下工作的整流管、整流橋模塊、快速恢復(fù)二極管、功率肖特基二極管等。

(2)半控型器件:主要是晶閘管(亦稱可控硅)，普通晶閘管其控制端在器件導(dǎo)通后即失去控制作用(故稱半控型)，為了關(guān)斷這類器件必須借助外部條件。

(3)全控型器件:其控制端不但具有控制器件導(dǎo)通的能力，還有控制其關(guān)斷的能力。例如大功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(M05FET)、門極關(guān)斷(GTO)晶閘管、M05控制晶閘管(Mσ)，還有新型的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶體管(5π)等。

（二）AC/DC變換技術(shù)

將交流電變換成直流電稱為AC/DC變換，這種變換的功率流向由電源傳向負(fù)載電路，一般稱為整流。對于要求改變直流輸出電壓的場合，可以采用相控整流方案，也可以采用其他調(diào)控方案，整流電路的種類繁多，并各具特色，其基本電路可大致分為:

(1)按整流相數(shù)分:

①單相電路:單脈波或雙脈波;

②三相電路:3脈波、6脈波或12脈波;

③多相電路:P脈波。

(2)按電路控制特點(diǎn)分:

①不控型整流電路;

②半控型整流電路;

③全控型整流電路。

DC/AC，DC/DC，AC/AC變換技術(shù)，本節(jié)簡要敘述直流(DC)I交流(AC)、直流(DC)I直流(DC)、交流(AC)I交流(AC)三種變換技術(shù)。

DC/AC變換技術(shù)

將直流電變換成交流電稱之為DC/AC變換，也就是通常所說的"逆變"。在某些特殊場合，例如衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、潛艇等沒有工頻交流電源(50或ωHz)，僅有蓄電池或太陽能電池可供使用，這些都是直流電源，當(dāng)需要由這種電源向交流負(fù)載供電時，便需要DC/AC變換。此外，工頻交流電對某些負(fù)載來說并不適用，例如飛機(jī)或相關(guān)的地面設(shè)備使用4∞Hz交流電，感應(yīng)加熱需要使用中頻或高頻交流電，感應(yīng)電動機(jī)變頻調(diào)速需要在一定范圍內(nèi)可以任意變頻、變壓的交流電等。在有工頻交流電源的情況下，先將工頻交流電變成直流電，再經(jīng)過逆變器變成所需頻率和電壓的交流電，這些應(yīng)用都需要DC/AC變換技術(shù)。

隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，逆變技術(shù)在應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓寬，它幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。尤其是高壓、大電流、高頻三者功能兼?zhèn)涞膱隹仄骷拈_發(fā)成功，為簡化逆變電路、提高逆變器的性能及高頻脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

DC/AC變換器的分類：

DC/AC變換器(以下簡稱逆變器)，基本上可分為單相和三相兩大類，單相逆變器適用于中、小功率，三相逆變器適用于中、大功率。這兩類又可按下面特點(diǎn)進(jìn)行分類:

(1)按輸入直流電源性質(zhì)分:電壓型逆變電路(輸入電源為恒壓源);電流型逆變電路(輸人電驚為恒流源)。

(2)按電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分:半橋電路;全橋電路;推挽電路;其他形式。

(3)按組成電路的器件分:普通晶閘管逆變電路;大功率晶體管(GTR)逆變電路;門極關(guān)斷(GTO)晶閘管逆變電路;MOSFET(MOS場效應(yīng)晶體管)逆變電路;IGBT逆變電路等。

(4)按輸出波形分:正弦波逆變電路;非正弦波逆變電路。

（三）集成穩(wěn)壓器

集成穩(wěn)壓器，就是用半導(dǎo)體工藝和薄膜工藝將穩(wěn)壓電路中的二極管、三極管、電阻、電容等元件制作在同一半導(dǎo)體或絕緣基片上，形成具有穩(wěn)壓功能的固體電路，集成穩(wěn)壓器在近十多年發(fā)展很快，目前國內(nèi)外已發(fā)展到幾百個品種。按電路的工作方式分，有線性集成穩(wěn)壓器和開關(guān)式集成穩(wěn)壓器。按電路的結(jié)構(gòu)方式分，有單片式集成穩(wěn)壓器和組合式集成穩(wěn)壓器。按管腳的連接方式分，有三端式集成穩(wěn)壓器和多端式集成穩(wěn)壓器。按制造工藝分，有半導(dǎo)體集成穩(wěn)壓器、薄膜混合集成穩(wěn)壓器和厚膜混合集成穩(wěn)壓器。

集成穩(wěn)壓器是在半導(dǎo)體硅片上使用外延、氧化、光刻、擴(kuò)散和金屬蒸發(fā)等工藝制作而成的穩(wěn)壓電路。這種集成穩(wěn)壓器的各種元件在同一工序中制成，可靠性高，也有利于提高穩(wěn)壓精度，縮小體積，減輕重量。

常見的集成穩(wěn)壓器有下列幾種:

(1)多端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。這種穩(wěn)壓器采樣電阻和保護(hù)電路的元件需要外接，它的外接端比較多，便于適應(yīng)不同的用法。它的輸出電壓可調(diào)，以滿足不同輸出電壓的要求。

(2)三端固定式集成穩(wěn)壓器。這類穩(wěn)壓器有輸入、輸出和公共端3個端子，輸出電壓固定不變(一般分為若干等級)。這類產(chǎn)品具有使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，已基本上取代了由分立器件組成的穩(wěn)壓電路。

(3)三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。它有3個接線端:輸入端、輸出端和調(diào)節(jié)端。在調(diào)節(jié)端外接兩個電阻可對輸出電壓作連續(xù)的調(diào)節(jié)。在要求穩(wěn)壓精度較高，并且輸出電壓需在一定范圍內(nèi)做任意調(diào)節(jié)的場合，可選用這種集成穩(wěn)壓器。它也有正、負(fù)輸出電壓以及輸出電流大小之分，選用時應(yīng)注意各系列集成穩(wěn)壓器的電參數(shù)特性。

1、芯片電路原理

集成穩(wěn)壓器的電路原理與分立晶體管穩(wěn)壓器基本相同，也是由調(diào)整元件、誤差放大器、基準(zhǔn)電壓、比較、采樣等幾個主要部分組成，但是集成穩(wěn)壓器充分利用集成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在線路結(jié)構(gòu)和制造工藝上采用了很多模擬集成電路的方法，諸如偏置電路、電流源電路、基本電壓源電路、各種形式的誤差放大器和集成穩(wěn)壓器所特有的啟動電路、保護(hù)電路等，與分立元件穩(wěn)壓器相比，集成穩(wěn)壓器具有體積小、成本低、使用方便、性能指標(biāo)較高等優(yōu)點(diǎn)。

2、高頻開關(guān)電源

目前空間技術(shù)、計算機(jī)、通信及家用電器中的電源多采用高頻開關(guān)電源。開關(guān)電源的效率、體積、重量等指標(biāo)均優(yōu)于線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，效率可達(dá)75-95;穩(wěn)壓電源體積小，重量輕;調(diào)整管功耗小，相應(yīng)散熱器的體積也小。另外，開關(guān)頻率工作在幾十千赫，濾波電感及電容可用較小數(shù)值的元件;允許的環(huán)境溫度也可以大大提高。但由于調(diào)整器件的控制電路比較復(fù)雜，輸出紋波電壓較高，所以開關(guān)電源的應(yīng)用也受到一定的限制。

電子設(shè)備小型輕量化的關(guān)鍵是供電電源的小型化，因此需要盡可能地降低電源電路中的損耗。開關(guān)電源中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，也必然存在開關(guān)損耗，而且損耗隨開關(guān)頻率成比例地增加。另一方面，開關(guān)電源中的變壓器、電抗器等磁性元件以及電容元件，隨著頻率的提高，這些元件上的損耗也隨之增加。

目前市場上開關(guān)電源中的功率管采用雙極型晶體管的，開關(guān)頻率可達(dá)1∞旺如;采用MOSFET的開關(guān)頻率可達(dá)5∞kHz。為提高開關(guān)頻率必須減小開關(guān)損耗，需要采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上的開關(guān)頻率可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。這種方式可以極大地提高開關(guān)速度，原理上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種有效方式。采用諧振開關(guān)方式的幾兆赫變換器已經(jīng)實(shí)用化。

開關(guān)電源的集成化與小型化正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，目前正在研制功率開關(guān)管與控制電路集成于同一芯片上的集成模塊。然而，把功率開關(guān)管與控制電路包括反饋電路都集成于同一芯片上，必須解決電氣隔離與熱絕緣等問題，目前，世界各國正在大力研制新型開關(guān)電源，不斷地向高頻化、線路簡單化和控制電路集成化方向發(fā)展。

3、源側(cè)功率因數(shù)校正技術(shù)

源側(cè)(亦稱輸入側(cè))功率因數(shù)(A)校正技術(shù)是針對由整流、電容濾波構(gòu)成的非線性負(fù)載的電力電子設(shè)備提出來的，主要目的是減少用電設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)的危害。這種負(fù)載電流中的高次諧波不僅使輸電線上損耗增加，浪費(fèi)大量電能，而且影響鄰近其他用電設(shè)備的正常工作。為此國際上制訂了與此相關(guān)的一些標(biāo)準(zhǔn)，如IEC552-2。這些標(biāo)準(zhǔn)對用電裝置的輸入功率因數(shù)和波形失真都做了具體限制。

功率因數(shù)校正簡寫為PFC，改善源側(cè)功率因數(shù)的方法主要有兩種:一種是元源功率因數(shù)校正技術(shù)，另一種是有源功率因數(shù)校正技術(shù)。前者主要針對供電系統(tǒng)和較大的廠礦企業(yè)，由眾多的電機(jī)感性負(fù)載造成的低功率因數(shù)問題。校正的方法是在電網(wǎng)人口處并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙萜?，?amp;lambda;值盡量接近1，以達(dá)到節(jié)能目的，也就是我們常說的無功補(bǔ)償。后者主要針對開關(guān)電源負(fù)載，由于近年來計算機(jī)、程控電話交換機(jī)等迅速發(fā)展，開關(guān)電源及不間斷電源(UPS)被廣泛采用，而這些電源設(shè)備的輸入側(cè)多為直接整流和電容濾波的非線性工作方式，這樣就使PFC技術(shù)得到了人們的廣泛重視，并且被普遍應(yīng)用。

功率因數(shù)的校正方法：有源功率因數(shù)校正的基本思想是:將輸入交流電壓進(jìn)行全波整流，對其整流電壓進(jìn)行直流-直流變換，通過適當(dāng)控制使輸入電流自動跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，雖然PFC也是開關(guān)電源，但與傳統(tǒng)的開關(guān)電源有明顯的區(qū)別。

（四）電源技術(shù)功率變換電路

在變換過程中，除了使功率器件工作在線性狀態(tài)以外，經(jīng)常工作在開關(guān)狀態(tài)，按設(shè)定的時序，在控制信號作用下實(shí)現(xiàn)電能的變換。在器件的工作過程中將伴隨著各個支路間電流的轉(zhuǎn)移，故有時簡稱為"換流"。對于由半控型器件組成的電路，由于器件本身無關(guān)斷能力，常常在換流過程中借助外部條件來關(guān)斷處于導(dǎo)通狀態(tài)的器件。換流成功是半控型電路正常工作的必要條件，因而換流過程是這類電路分析的主要內(nèi)容，換流技術(shù)便是這類變換技術(shù)的核心。

1、功率變換電路

從電能變換功能來看，有下列四類:

(1)將交流電變?yōu)橹绷麟?，即AC/DC變換。實(shí)現(xiàn)這一功能的變換電路，一般稱為整流電路或整流器。

(2)將直流電變?yōu)榻涣麟姡碊C/AC變換。實(shí)現(xiàn)這一功能的變換電路，一般稱為逆變電路或逆變器。

(3)將一種直流電變?yōu)榱硪环N直流電，即DC/DC變換。通過這種變換實(shí)現(xiàn)直流電壓(電流)的幅值或極性的改變，一般稱為直流/直流變換電路或DC/DC變換器。

(4)將一種交流電變?yōu)榱硪环N交流電，即AC/AC變換。通過這種變換實(shí)現(xiàn)交流電壓(電流)、頻率的變換，前者稱為交流調(diào)壓電路(例如穩(wěn)壓器、穩(wěn)流器)，后者稱為變頻電路(或變頻器)，有時也需要改變相數(shù)(例如單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嗟?。

上述四種變換電路就其技術(shù)而言統(tǒng)稱為"變流技術(shù)"，其電路可以單一使用，也可以組合使用，例如常用的一種變換形式，將工頻市電(單相或三相)直接進(jìn)行整流變成直流電，通過逆變電路使其變成高頻交流電(脈沖寬度可調(diào)的正負(fù)矩形脈沖或脈沖頻率可調(diào)的準(zhǔn)正弦脈沖)，再通過整流變成直流電供給負(fù)載。在高頻變換環(huán)節(jié)，通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的穩(wěn)定。這就是目前常用的高頻開關(guān)電源的電路模式，采用的是組合變換方式(內(nèi)有兩次整流和一次逆變)?！?/p>

2、控制方式 

在變換過程中，除了使功率器件工作在線性狀態(tài)以外，經(jīng)常工作在開關(guān)狀態(tài)，按設(shè)定的時序，在控制信號作用下實(shí)現(xiàn)電能的變換。在器件的工作過程中將伴隨著各個支路間電流的轉(zhuǎn)移，故有時簡稱為"換流"。對于由半控型器件組成的電路，由于器件本身無關(guān)斷能力，常常在換流過程中借助外部條件來關(guān)斷處于導(dǎo)通狀態(tài)的器件。換流成功是半控型電路正常工作的必要條件，因而換流過程是這類電路分析的主要內(nèi)容，換流技術(shù)便是這類變換技術(shù)的核心。

在Ac/OC變換過程中常常引人高頻變換環(huán)節(jié)，達(dá)到縮小電源設(shè)備體積、減輕重量、提高效率、改善動態(tài)特性等目的，轉(zhuǎn)換頻率一般為幾十千赫至幾百千赫。m世紀(jì)70年代將由50Hz交流市電供電的直流線性穩(wěn)壓電源發(fā)展到開關(guān)頻率為卻證b的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，被譽(yù)為"卻kHz革命"，然而僅僅經(jīng)過10多年的時間，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換頻率已經(jīng)達(dá)到劃出以上。

對于各種變換電路的控制方式，可以歸納為下列三種:

(1)相(位)控(制)方式:指控制信號幅度的變化轉(zhuǎn)換成變流器件觸發(fā)脈沖相位的變化，在整流電源或交流穩(wěn)壓電源中常用這種控制方式。

(2)頻(率)控(制)方式:指控制信號幅度的變化轉(zhuǎn)換成變流器件觸發(fā)脈沖頻率的變化，在逆變電源中常用這種控制方式。

(3)斬(波)控(制)方式:指控制信號幅度的變化轉(zhuǎn)換成變流器件"導(dǎo)通時間比"的變化，在直流變換電路中常用這種控制方式。

上述三種控制方式也可以組合使用，例如斬波與頻率控制同時采用時，構(gòu)成正弦波脈沖寬度調(diào)制方式(Sinewave-PWM簡稱SPWM)，在交流變換器中常用這種控制方式。

3、電源系統(tǒng)的組成 

一般電源系統(tǒng)的組成情況，由市電(電網(wǎng))或蓄電池或太陽能或燃油發(fā)電機(jī)提供能源;整流設(shè)備將市電或發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換成直流電，或把蓄電池的直流電變換成其他電壓的直流電送至直流配電屏;將市電或發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過穩(wěn)壓設(shè)備送至交流配電屏;為了提高供電的可靠性，在電源系統(tǒng)中設(shè)有不間斷電源(ups)，在市電中斷時，它的能源由蓄電池或燃油發(fā)電機(jī)供給，其輸出送至交流配電屏;為了安全供電，設(shè)有雷電防護(hù)裝置，它對整流設(shè)備、交流穩(wěn)壓設(shè)備、ups及發(fā)電機(jī)均起保護(hù)作用。圖中整流設(shè)備、ups及太陽能均能對蓄電池進(jìn)行充電。

這個系統(tǒng)圖較好地說明了各種設(shè)備之間的關(guān)系，當(dāng)然，為了進(jìn)一步提高供電的可靠性，還可以設(shè)置備用設(shè)備、智能監(jiān)控、顯示報警等環(huán)節(jié)，電源技術(shù)對科學(xué)技術(shù)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有明顯的促進(jìn)作用，世界各國都很重視這一技術(shù)的發(fā)展。我國的電源技術(shù)緊跟國際先進(jìn)水平，近20年來已有長足的進(jìn)步。總的發(fā)展趨勢是:

(1)功率半導(dǎo)體器件:重點(diǎn)發(fā)展全控型功率器件，目前功率MOSFET和1GBT等器件在迅速發(fā)展，因?yàn)檫@種器件具有自關(guān)斷能力，可以取消原來半控型器件采用的換流電路，從而具有簡化電路、提高可靠性、增加效率、降低成本等優(yōu)點(diǎn)，同時還能提高開關(guān)工作頻率，取得進(jìn)一步減小體積重量、改善輸出波形、降低噪聲等良好效果，功率半導(dǎo)體器件，繼續(xù)向提高容量、改善動態(tài)性能，向模塊式、組合式方向發(fā)展。

(2)功率變換電路:目前廣泛采用的全控型器件和脈寬調(diào)制(PWM)方式，并且采用源側(cè)功率因數(shù)校正(PFC)電路，使輸入電流正弦化，從而節(jié)約電能、減小對電網(wǎng)的干擾，克服了相控方式輸入功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。

目前推廣采用的諧振型軟開關(guān)等新型電路，使開關(guān)電源的工作頻率由百千赫級發(fā)展到兆赫級，進(jìn)一步提高效率，使電源設(shè)備小型化，顯著降低紋波電壓，從而提高了電源性能，從控制手段來看，由原來的分立元件和中小規(guī)模集成電路組成的硬件電路發(fā)展為由微處理器和單片機(jī)組成的軟件控制方式，從而達(dá)到較高的數(shù)字化和智能化程度，并且進(jìn)一步提高電源設(shè)備的可靠性，由上述可見，電源技術(shù)在迅速發(fā)展，它將為生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步作出更大的貢獻(xiàn)。

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