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工業級UPS與普通商業級UPS的區別
來源:來源：《UPS應用》雜
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作者:wjgoodups
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發布時間: 2016-06-12
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選用工業級UPS系統,還是選用商業級UPS系統,需要考慮的因素很多。
1 可靠性
高可靠性是以系統的設計、工藝、配置來體現的。采用工業級甚至是軍用級元器件,同時還要加大關鍵元器件的冗余度,以增強系統的抗沖擊能力。在生產工藝上,對邏輯電路和通訊電路有更嚴格的屏蔽保護措施。配置輸入和輸出隔離變壓器以增強系統的電氣隔離性能,采用12脈沖整流器技術,內置電池保護開關、輸入和輸出開關、靜態和維修旁路開關等各種保護開關。以上種種,都對工業級UPS系統提出了較高的要求。以某公司工業級UPS系列產品為例(外觀見圖1),它具備了以上所述的配置,以原裝的頂級配置而成為具有較高可靠性的頂級UPS系統。采用了高效能DSP芯片(32位元150MHz,獨立乘法器)實現全數字THDV控制16位DSP;并聯無須平衡電抗,可多機并聯;內置濾波器,THDi<10%,PF=0.96;板件集成度高;逆變與電池采用HCT;信號線/電子線獨立走線,且無須采用隔離線;采用銅條/鋁條,降低對模塊應力的影響;符合YD/T1095-20085.27的安全要求。以極寬的輸入電壓和頻率范圍，可適應惡劣的電網環境，能夠承受劇烈的負載波動沖擊，抵御和消除各種電網質量問題,如諧波、過壓、欠壓、突波、電壓下陷、停電、過載、短路、浪涌電流等發電機模式下，兼容錯相運行。電路結構如圖2所示。
通風方式為下進上出,自然對流,獨立風道,熱分流設計,適應高溫、高濕、粉塵、鹽堿、腐蝕性氣體、震動等惡劣的工作環境。
2 環境
全球范圍內,工業級UPS對環境具有較強的適應能力。作為UPS系統必須具備應對高溫與高濕的能力。但由于其安裝的地方通常空間不大,很難達到空氣流通這一條件。也正因如此,UPS的設計均有一個關鍵的半導體組件,例如IGBT、整流器及散熱片。
除了溫度與濕度外,還需考慮周圍的環境。環境中可能含有腐蝕性的氣體,時間長了可能會降低變壓器、電路板及空開等元器件的性能。但工業級UPS的元器件和配線,或是涂有一層電抗膠,以保證UPS的元器件及配線免遭惡劣環境的影響,或是配有專用的空氣過濾器。當然,這些環節增加了工業級UPS系統的成本。工業級UPS的IP等級可達IP51,所有電路板均噴涂防腐蝕絕緣漆,具有絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防老化、耐電暈能力。而常見的商業級UPS,其IP等級一般僅為IP20。其巨大差異主要是因為工業級UPS需放置在車間、生產線等嚴重粉塵污染環境,而商業級UPS通常放置在數據中心、服務器機房等環境整潔、溫濕度和潔凈度受控的地方。因此工業級UPS無疑是惡劣環境中的不二選擇。圖3為某品牌設備現場使用情況。造成這種場景最主要的原因是此款產品是按常規的商業機進行設計,特別是風道的設計非常的不合理。造成粉塵隨風道聚留在機器的主要部件上,這樣的產品使用6個月左右會發生故障,嚴重影響其使用壽命。
工業級UPS系列采用獨特的風道設計,電子控制部件和主要散熱部件的風道完全隔離。這樣做的目的是保護好主要部件不受污染,同時主要散熱部件的熱量不會對電子部件產生熱*,確保整個系統的可靠性。圖4為某公司工業級UPS獨特的系統風道設計照片。
與工業級UPS對環境的高適應性相反,商業級UPS通常放置在受控的環境中,,對環境的適應能力較差。但它具備了系統監控的功能,有利于保證UPS以及關鍵的服務器、路由器、存儲器等設備處于最佳的性能狀態。如果工業級UPS系統也具備相關性能,以適應IT應用的所需,如系統監控,那工業級UPS在可靠性要求比較高的商用要求下也是非常好的選擇之一。
3 制冷
工業級UPS對高溫環境下的運行能力給予特別的設計考慮。元器件的設計不僅需要適應工業環境的運行要求,還應能承受各種關鍵負載的變化。也正因如此,大部分工業級UPS都配備了可監控的冗余風扇系統。與此相反,商業級UPS則須運行在空調的環境下。
某公司的工業級UPS采用了N+1冗余通風設計。即風扇冗余,運行中的風扇發生故障時,仍能正常工作。同時,還采用了RPM風扇轉速檢測監控技術,當轉速低于預設值時會報警,杜絕了由于風扇損壞致使UPS高溫停機才報警的可能。另外,風道的設計按照元器件對溫度的敏感程度進行順序冷卻,通風方式為下進上出,自然對流,獨立風道,熱分流設計,再輔以高規格等級和高冗余度的元器件,使其即使在40℃高溫且無風冷的情況下仍能連續運轉。
4 操作
工業級UPS系統通常是由現場的技術人員來維護的,所以需要能夠做到模塊級維修,因此機器設計必須考慮現場對關鍵部件的隔離能力,同時準備充分的維修說明文檔等。維修本身不僅需要時間,還要求在維修時,機器切換到旁路工作狀態,工業級UPS還必須具有比應用于機房環境的商業級UPS更強的承受能力。
工業級UPS系統在非冗余模式下的應用也很典型:有專用分配系統的電源模塊,唯一后備便是旁路電源,電源模塊也逐漸趨向于更小。檢測儀器與過程控制或關鍵PLC這些關鍵項都需要保護,以保證存儲或保證現有狀態不被丟失,因此系統下游的受控部分所得到的保護電源就更少了。
大部分機房中的UPS系統都是冗余配置,不僅是為了保證電源自身的工作容量,并且能夠在一組電源停止工作的情況下避免對關鍵負載的損害。長期依靠旁路電力對于任何一個IT經理來講都不是一個標準的操作程序,其危險太大了。而負責維修這些復雜系統的技術人員則會以一個組件的方式處理這些事情,如現場隔離機器部件及更換備用部件,這樣可以減少停機時間并使系統更快地恢復,亦可降低數據中心的運營風險。
5 工作壽命
工業級UPS系統在設計時會加大元器件的設計余量,這樣UPS系統在典型的工業環境運行中將有超過100,000h的MTBF。但有一些元件,如制冷風扇、DC電容器等元器件會降低使用壽命。甚至會低于保守設計余量。像發電廠等工業級UPS的用戶,通常會將UPS的使用壽命設定在20～30年內。石化行業的UPS的工作壽命大約為10～15年。
在商業級UPS市場上,UPS的型號會在5年內過時。而現代數據技術的變化也會使數據中心的壽命少于5年。對市場要求非常了解的供應商,會將設計投入更多地集中在如何使商業級UPS價格更便宜、體積更小,效率更高的問題上。
6 服務方式
不論是工業級還是商用級UPS,設備的服務訪問方式都很重要。
在工業環境中,UPS會根據車間的布局擺放在不同的地點。在分布式放置(即UPS位于保護設備的附近)和集中式放置(即UPS位于保護設備的輔助設施中)。這兩種情況下,大部分設備維護人員都喜歡前端訪問的服務方式,無需拆除側板或背板就能夠進行維修、檢查和預見性的維護。
商業級UPS通常會安置在專用房間中,這種構成有助于制冷和電源分配。大部分的商業級UPS系統傾向于集中式放置,這樣維護人員從正面或背面即可對設備進行維護。
7 運輸
工業和商業UPS的運輸都需要較大的資本支出,都需進行特別的規劃和周密的場地準備。UPS設備在到達客戶的現場時,通常是裝在運輸用的板條箱中。將設備部署入位通常需要****車、吊車或起重機等。
工業UPS因內部配置較高,所以機器相對也會較重。因此工業UPS在設計和安裝時,需特別注意搬運和承重等問題。
8 后備時間
商業級UPS的電池后備時間是依應用而定,如果有備用發電機,后備時間只需要支持到發電機電源穩定后即可。通常商業級UPS應用密封閥控的鉛酸電池,其后備時間在10～30min的范圍內。因為商業級UPS電池的后備時間通常不需要像工業應用中那樣,充電時間也不受重視。而典型的商業級UPS充電器是將一個后備時間為15～30min的鉛酸電池在8～10h內充至95%的容量即可。
比較而言,工業級UPS系統的充電器容量就大得多,因為電池的后備時間是60min到8h或更長。則UPS至少得具備在充電器中有足夠的重復充電容量的這一特性。這一點在工業應用中尤其重要,如發電廠通常會使用后備時間為4～8h的UPS電池。
9 物理設計
工業級UPS的機柜是由質量好且厚度在2mm或以上的厚鋼板制成。為更好的保護裝于其中的UPS,還會在機箱表面刷上一層厚厚的專用防護噴涂。通常工業級UPS的電源及控制組件在防濕及防污染方面都可以達到IP40或IP42標準,甚至可達到IP51。而商業級UPS采用的是塑料機箱,且內部無特殊的防濕防污處理,防護等級只能達到IP20。
10 工業EMI/RFI
數據中心交流電分配系統的設計可保護UPS免受來自交流干線和旁路輸入饋線的EMI/RFI的影響。專用輸入電源饋線與絕緣變壓器的使用不僅減少了EMI/RFI,同時也減少了交流干線上的有效漏電的電流。
在一些工業應用中,UPS的交流輸入電源來自開關設備或電機控制中心(MCC),并且通常與一些電動噪音大的負載(如變速驅動等裝置)共享母線連接,對于這一應用,輸入隔離變壓器顯得尤其重要。
11 通信
通信功能在UPS系統的選擇中占據著非常重要的地位。SNMP及以太網是UPS系統信息最常用的收集方式。商業級UPS通信功能可能受到場所及環境的限制。正因如此,Modbus通訊協議、以太網或繼電器輸入/輸出接口在工業應用中受到歡迎。
工業級UPS內置了帶有環境監控功能和繼電器輸入/輸出接口的網絡管理卡,使得它不僅可以在工業應用中大顯身手,在對管理功能要求很高的商業級應用中,也顯得游刃有余。
12 結束語
工業級UPS與商業級UPS有著明顯不同的設計思路。在投資初期,兩類UPS一一對照并研究其具體應用中的差異,雖然應用初期可能不會有明確的差異,但經過一段時間后,將會發現工業UPS在性能方面的優勢。購買時應考慮環境狀況、運營期望值、穩定性要求、通信能力以及使用壽命期限等因素。工業級UPS的各類裝備附件表明其初期成本更大,然而從整體成本并與其20～30年的產品壽命相比,工業級UPS初期成本的高投入保障了長期穩定的投資回報。表1和表2給出工業級UPS與普通商業用UPS的區別和比較，僅供參考。
1 可靠性
高可靠性是以系統的設計、工藝、配置來體現的。采用工業級甚至是軍用級元器件,同時還要加大關鍵元器件的冗余度,以增強系統的抗沖擊能力。在生產工藝上,對邏輯電路和通訊電路有更嚴格的屏蔽保護措施。配置輸入和輸出隔離變壓器以增強系統的電氣隔離性能,采用12脈沖整流器技術,內置電池保護開關、輸入和輸出開關、靜態和維修旁路開關等各種保護開關。以上種種,都對工業級UPS系統提出了較高的要求。以某公司工業級UPS系列產品為例(外觀見圖1),它具備了以上所述的配置,以原裝的頂級配置而成為具有較高可靠性的頂級UPS系統。采用了高效能DSP芯片(32位元150MHz,獨立乘法器)實現全數字THDV控制16位DSP;并聯無須平衡電抗,可多機并聯;內置濾波器,THDi<10%,PF=0.96;板件集成度高;逆變與電池采用HCT;信號線/電子線獨立走線,且無須采用隔離線;采用銅條/鋁條,降低對模塊應力的影響;符合YD/T1095-20085.27的安全要求。以極寬的輸入電壓和頻率范圍，可適應惡劣的電網環境，能夠承受劇烈的負載波動沖擊，抵御和消除各種電網質量問題,如諧波、過壓、欠壓、突波、電壓下陷、停電、過載、短路、浪涌電流等發電機模式下，兼容錯相運行。電路結構如圖2所示。
通風方式為下進上出,自然對流,獨立風道,熱分流設計,適應高溫、高濕、粉塵、鹽堿、腐蝕性氣體、震動等惡劣的工作環境。
2 環境
全球范圍內,工業級UPS對環境具有較強的適應能力。作為UPS系統必須具備應對高溫與高濕的能力。但由于其安裝的地方通常空間不大,很難達到空氣流通這一條件。也正因如此,UPS的設計均有一個關鍵的半導體組件,例如IGBT、整流器及散熱片。
除了溫度與濕度外,還需考慮周圍的環境。環境中可能含有腐蝕性的氣體,時間長了可能會降低變壓器、電路板及空開等元器件的性能。但工業級UPS的元器件和配線,或是涂有一層電抗膠,以保證UPS的元器件及配線免遭惡劣環境的影響,或是配有專用的空氣過濾器。當然,這些環節增加了工業級UPS系統的成本。工業級UPS的IP等級可達IP51,所有電路板均噴涂防腐蝕絕緣漆,具有絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕、防老化、耐電暈能力。而常見的商業級UPS,其IP等級一般僅為IP20。其巨大差異主要是因為工業級UPS需放置在車間、生產線等嚴重粉塵污染環境,而商業級UPS通常放置在數據中心、服務器機房等環境整潔、溫濕度和潔凈度受控的地方。因此工業級UPS無疑是惡劣環境中的不二選擇。圖3為某品牌設備現場使用情況。造成這種場景最主要的原因是此款產品是按常規的商業機進行設計,特別是風道的設計非常的不合理。造成粉塵隨風道聚留在機器的主要部件上,這樣的產品使用6個月左右會發生故障,嚴重影響其使用壽命。
工業級UPS系列采用獨特的風道設計,電子控制部件和主要散熱部件的風道完全隔離。這樣做的目的是保護好主要部件不受污染,同時主要散熱部件的熱量不會對電子部件產生熱*,確保整個系統的可靠性。圖4為某公司工業級UPS獨特的系統風道設計照片。
與工業級UPS對環境的高適應性相反,商業級UPS通常放置在受控的環境中,,對環境的適應能力較差。但它具備了系統監控的功能,有利于保證UPS以及關鍵的服務器、路由器、存儲器等設備處于最佳的性能狀態。如果工業級UPS系統也具備相關性能,以適應IT應用的所需,如系統監控,那工業級UPS在可靠性要求比較高的商用要求下也是非常好的選擇之一。
3 制冷
工業級UPS對高溫環境下的運行能力給予特別的設計考慮。元器件的設計不僅需要適應工業環境的運行要求,還應能承受各種關鍵負載的變化。也正因如此,大部分工業級UPS都配備了可監控的冗余風扇系統。與此相反,商業級UPS則須運行在空調的環境下。
某公司的工業級UPS采用了N+1冗余通風設計。即風扇冗余,運行中的風扇發生故障時,仍能正常工作。同時,還采用了RPM風扇轉速檢測監控技術,當轉速低于預設值時會報警,杜絕了由于風扇損壞致使UPS高溫停機才報警的可能。另外,風道的設計按照元器件對溫度的敏感程度進行順序冷卻,通風方式為下進上出,自然對流,獨立風道,熱分流設計,再輔以高規格等級和高冗余度的元器件,使其即使在40℃高溫且無風冷的情況下仍能連續運轉。
4 操作
工業級UPS系統通常是由現場的技術人員來維護的,所以需要能夠做到模塊級維修,因此機器設計必須考慮現場對關鍵部件的隔離能力,同時準備充分的維修說明文檔等。維修本身不僅需要時間,還要求在維修時,機器切換到旁路工作狀態,工業級UPS還必須具有比應用于機房環境的商業級UPS更強的承受能力。
工業級UPS系統在非冗余模式下的應用也很典型:有專用分配系統的電源模塊,唯一后備便是旁路電源,電源模塊也逐漸趨向于更小。檢測儀器與過程控制或關鍵PLC這些關鍵項都需要保護,以保證存儲或保證現有狀態不被丟失,因此系統下游的受控部分所得到的保護電源就更少了。
大部分機房中的UPS系統都是冗余配置,不僅是為了保證電源自身的工作容量,并且能夠在一組電源停止工作的情況下避免對關鍵負載的損害。長期依靠旁路電力對于任何一個IT經理來講都不是一個標準的操作程序,其危險太大了。而負責維修這些復雜系統的技術人員則會以一個組件的方式處理這些事情,如現場隔離機器部件及更換備用部件,這樣可以減少停機時間并使系統更快地恢復,亦可降低數據中心的運營風險。
5 工作壽命
工業級UPS系統在設計時會加大元器件的設計余量,這樣UPS系統在典型的工業環境運行中將有超過100,000h的MTBF。但有一些元件,如制冷風扇、DC電容器等元器件會降低使用壽命。甚至會低于保守設計余量。像發電廠等工業級UPS的用戶,通常會將UPS的使用壽命設定在20～30年內。石化行業的UPS的工作壽命大約為10～15年。
在商業級UPS市場上,UPS的型號會在5年內過時。而現代數據技術的變化也會使數據中心的壽命少于5年。對市場要求非常了解的供應商,會將設計投入更多地集中在如何使商業級UPS價格更便宜、體積更小,效率更高的問題上。
6 服務方式
不論是工業級還是商用級UPS,設備的服務訪問方式都很重要。
在工業環境中,UPS會根據車間的布局擺放在不同的地點。在分布式放置(即UPS位于保護設備的附近)和集中式放置(即UPS位于保護設備的輔助設施中)。這兩種情況下,大部分設備維護人員都喜歡前端訪問的服務方式,無需拆除側板或背板就能夠進行維修、檢查和預見性的維護。
商業級UPS通常會安置在專用房間中,這種構成有助于制冷和電源分配。大部分的商業級UPS系統傾向于集中式放置,這樣維護人員從正面或背面即可對設備進行維護。
7 運輸
工業和商業UPS的運輸都需要較大的資本支出,都需進行特別的規劃和周密的場地準備。UPS設備在到達客戶的現場時,通常是裝在運輸用的板條箱中。將設備部署入位通常需要****車、吊車或起重機等。
工業UPS因內部配置較高,所以機器相對也會較重。因此工業UPS在設計和安裝時,需特別注意搬運和承重等問題。
8 后備時間
商業級UPS的電池后備時間是依應用而定,如果有備用發電機,后備時間只需要支持到發電機電源穩定后即可。通常商業級UPS應用密封閥控的鉛酸電池,其后備時間在10～30min的范圍內。因為商業級UPS電池的后備時間通常不需要像工業應用中那樣,充電時間也不受重視。而典型的商業級UPS充電器是將一個后備時間為15～30min的鉛酸電池在8～10h內充至95%的容量即可。
比較而言,工業級UPS系統的充電器容量就大得多,因為電池的后備時間是60min到8h或更長。則UPS至少得具備在充電器中有足夠的重復充電容量的這一特性。這一點在工業應用中尤其重要,如發電廠通常會使用后備時間為4～8h的UPS電池。
9 物理設計
工業級UPS的機柜是由質量好且厚度在2mm或以上的厚鋼板制成。為更好的保護裝于其中的UPS,還會在機箱表面刷上一層厚厚的專用防護噴涂。通常工業級UPS的電源及控制組件在防濕及防污染方面都可以達到IP40或IP42標準,甚至可達到IP51。而商業級UPS采用的是塑料機箱,且內部無特殊的防濕防污處理,防護等級只能達到IP20。
10 工業EMI/RFI
數據中心交流電分配系統的設計可保護UPS免受來自交流干線和旁路輸入饋線的EMI/RFI的影響。專用輸入電源饋線與絕緣變壓器的使用不僅減少了EMI/RFI,同時也減少了交流干線上的有效漏電的電流。
在一些工業應用中,UPS的交流輸入電源來自開關設備或電機控制中心(MCC),并且通常與一些電動噪音大的負載(如變速驅動等裝置)共享母線連接,對于這一應用,輸入隔離變壓器顯得尤其重要。
11 通信
通信功能在UPS系統的選擇中占據著非常重要的地位。SNMP及以太網是UPS系統信息最常用的收集方式。商業級UPS通信功能可能受到場所及環境的限制。正因如此,Modbus通訊協議、以太網或繼電器輸入/輸出接口在工業應用中受到歡迎。
工業級UPS內置了帶有環境監控功能和繼電器輸入/輸出接口的網絡管理卡,使得它不僅可以在工業應用中大顯身手,在對管理功能要求很高的商業級應用中,也顯得游刃有余。
12 結束語
工業級UPS與商業級UPS有著明顯不同的設計思路。在投資初期,兩類UPS一一對照并研究其具體應用中的差異,雖然應用初期可能不會有明確的差異,但經過一段時間后,將會發現工業UPS在性能方面的優勢。購買時應考慮環境狀況、運營期望值、穩定性要求、通信能力以及使用壽命期限等因素。工業級UPS的各類裝備附件表明其初期成本更大,然而從整體成本并與其20～30年的產品壽命相比,工業級UPS初期成本的高投入保障了長期穩定的投資回報。表1和表2給出工業級UPS與普通商業用UPS的區別和比較，僅供參考。
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