机房电源系统

12.1.3　机房电源系统

1）机房电源系统的要求

（1）电源规格：电压180～264VAC；频率47～63Hz。其他单一谐波不得高于3%。

（2）设备电力总容量计算：设备电力总容量是指各单位设备电力总容量的总和（注意设备的最大启动负载电流也可用同样方法来计算）。

（3）电源稳压器或不间断电源的容量计算：其应为设备总容量另加30%的安全容量；如考虑今后系统的扩容，该容量也应计算在内。

（4）机房用电应使用独立的回路、专用变压器、电源稳压器（AVR），若要考虑系统的稳定性与资料的重要性，须增设不间断电源设备（UPS）。

（5）勿让机房与下列设备共用同一电源或同一地线，以避免受到干扰：如大型电梯、升降机、窗型冷气机、复印机等。

（6）在机房内安装适当数量的普通插座，以供维修人员使用，并且这些插座不宜与设备系统共用电源。

（7）配电箱的位置应尽量靠近机房，并且便于操作。

（8）要使用双电源系统供电，双电源的切换应在末端电箱内进行。

2）不间断电源

不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS）是随着计算机的普遍应用而发展起来的，它为计算机工作的稳定和可靠、数据的安全准确提供了保障。

现代计算机的电源设计，已可保证当电网欠压时，可依靠电源系统的滤波器电容维持工作，但一般只能维持10ms左右。为避免存储器中的数据丢失，要求市电一旦停电，后备电源可在10ms内对原负荷继续供电，使计算机系统不致于丢失信息、损伤设备，保证计算机系统的正常运行。

（1）不间断电源的功能

①提高供电的可靠性。采用UPS供电后，当电源切换时，不仅供电不会中断，也不会产生电弧干扰，可保证计算机正常工作，不会丢失信息和损伤设备。

②提高供电质量。当市电供电时，电网的供电质量，受电网负荷变化、运行方式、大负荷投入和切除以及故障等情况的影响，使电网的电源和频率很不稳定，难以满足计算机对供电质量的要求。采用UPS供电后，可提高供电电压的质量，如：

a）提高输出电压稳定精度；

b）降低输出电压波形失真度；

c）降低输出电压不平衡度；

d）提高频率跟踪能力（范围）和跟踪速率，备用电源可与正在向负荷供电的电源保持锁相，即与供电电源同电压、同频率、同相位；

e）对电源起净化作用，它可过滤和消除高次（11～13次前）谐波；

f）提高电源调整的精度，UPS电压自动调节装置可使电压的调节精度达到±1%。

所以UPS可将电网的谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等干扰隔离在负载之前。

③UPS系统一般输出指标的要求如表12.3所示。

表12.3　UPS系统一般输出指标

（续　表）

（2）不间断电源工程的实施

不间断电源工程的实施有两种方式：一种是由整个建筑统一提供不间断电源，它由机电设备系统或智能化系统集成商提供，智能化系统从统一的不间断电源系统引接；另一种是分散提供不间断电源，它由智能化分项工程（各智能化系统）配套。

（3）对不间断电源的要求

①当市电正常工作时，UPS应能自动开机；

②UPS应具有软启动功能；

③在市电不稳定或负载变化较大时具有正常运行的功能，仍能不停电输出纯净的电压；

④UPS的平均无故障时间应大于10 000h；

⑤具有良好的用户界面，有自诊断、通信功能；

⑥具备外部停电报警功能，当市电中断或超过规定范围（-15%～10%）时能自动发出报警信号。

（4）不间断电源的分类

按其工作原理可分成：在线式、后备式；在实际使用中还派生出多种变形结构如电压补偿在线式等。

按其输入、输出可分成：单相输入、单相输出；三相输入、单相输出；三相输入、三相输出。

按输出波形可分成：正弦波、方波。

（5）不间断电源的组成

不间断电源的基本组成部分有整流滤波、充电器、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、蓄电池组和监测控制部分等。

①整流滤波：对市电电网电源进行桥式整流、阻容滤波，形成直流电，保持输出电压，并抑制电网干扰。其输出一路给充电器，另一路给逆变器。

②充电器：整流后的直流电，经充电电路给蓄电池组恒流充电，当达到浮充电压时，充电器按恒压供电。

③逆变器：将整流滤波器或蓄电池组送来的直流电转变为交流电输出，通常其输出为准方波。逆变器的性能不仅决定UPS电源的体积和重量；还将直接影响UPS电源的输出波形、效率、可靠性、瞬态响应等。

④静态开关：保证UPS电源系统不间断供电。当UPS电源正常供电时，逆变器输出交流电向负载供电；当计算机设备启动、发生浪涌超负载或逆变器发生故障时，通过电压检测信号，静态开关迅速将负载由逆变器供电转移为市电供电。恢复正常后，经检测市电与逆变器电压同步、同频时，再转换至逆变器供电。

⑤蓄电池：储存电能的装置。在正常供电时，直流电源对蓄电池进行充电，将电能转换成化学能储存起来；当市电中断时，UPS电源将依靠在蓄电池中的能量输出直流电，维持逆变器的正常工作。蓄电池的设置，要考虑建筑的楼板承重，一般楼板承重量应达到400～600kg/m²，要视蓄电池的大小规模而定。

⑥控制部分：对市电、UPS各部分进行监测、控制、报警，显示工作状态的部分，并在出现过压、过流、短路和过热等故障时报警，对UPS进行保护。

（6）在线式UPS供电

①工作原理。在线式UPS，其最大特点是逆变器双向工作。

在市电工作正常时，由AC-DC、DC-AC逆变器经输出变压器及滤波器、静态开关向负载供电；AC-DC变换器同时向电池充电。

当市电出现失电，电压过高、过低等故障时，经控制部分监测到市电故障，控制UPS由蓄电池向逆变器提供直流电，并经输出变压器及滤波器、静态开关向负载供电；市电—电池转换时，输出电压的切换时间比较短。

当市电失电时，断开输入开关，防止逆变器向电网馈电。当市电供电恢复正常而逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态，静态开关将负载切换到市电供电，并给出报警信号。

其结构如图12.1所示。

图12.1　在线式UPS结构

②系统特点。

a）无论有无市电，负载的全部功率都由逆变器给出，而逆变器可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标，都是比较高的。

b）市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间。

c）因为UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以应对负载提出限制条件。例如：限制输出电流峰值系数（一般只达到3∶1）、过载能力、输出功率因数（一般为0.8）、输出有功功率（小于标定的kVA数）以及应付冲击性负载的能力等。

d）由于整流电路会对电网形成电流谐波干扰，输入功率因数低，经滤波后，一般最小的谐波电流成分在10%左右，输入功率因数只有0.8左右。

e）在市电存在时，由于整流器、逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低。10kVA以下为80%左右；50kVA的可达85%～90%；100kVA以上的可达90%～92%。

（7）后备式（离线式）UPS供电

①工作原理。在市电工作正常时，转换开关切换到市电端，UPS工作在旁路冷备用状态，电网电压经调压后直接向负载供电。市电正常时的输出电性能指标取决于UPS的调压功能，指标比较差，但能满足负载要求。

当市电出现失电、电压过高过低等故障时，经控制部分监测到市电故障，控制UPS由蓄电池向逆变器提供直流电，转换开关切换到逆变器端，并经输出变压器向负载供电。

在电网失压和恢复的过程中，后备式UPS的切换过程，会引起瞬间的断电，切换过程大约在3～10ms内完成，不影响负载供电；对计算机的工作不会有影响；切换过程会引起电压波动，其电压稳定性能要比在线式UPS差。

其结构如图12.2所示。

图12.2　后备式UPS结构

②系统特点。

a）当市电存在时，效率高，可达98%以上；

b）当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流，UPS本身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真；

c）当市电存在时，输出能力强，对负载电流波峰系数、浪涌电流系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制；

d）当市电存在时，输出电压稳定性精度差，但能满足负载要求；

e）当市电存在时，整机要靠附加滤波电路提高UPS双向抗干扰能力；

f）市电掉电时，输出有转换时间，一般在4ms左右，足以满足负载要求；

g）由于输出有转换开关，且受切换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一定困难，一般为小功率UPS，大多在2kVA以下；

h）电路简单，成本低，可靠性好。