数据中心基础设施的那点事之UPS

电能是现在社会中使用范围最广泛的能源，仔细观察一下我们周围，电灯，手机，电脑甚至电梯、地铁等等都是用电力驱动的设备，可以说电已经深入我们的身边的每一个角落，无论是生产还是生活都离不开电能。最近有个很极端的例子，委内瑞拉全国大规模停电，导致全国上下生产生活陷入停滞，甚至在民众中产生了大范围的恐慌情绪。可以看出，电力是日常生活中最重要的能源，没有了电力，人类生活水平可以说直接要倒退100年以上。

同样的，在机房的基础设施中，电力作为唯一的直接能源，在机房运行中起到了至关重要的作用。在电气系统的设计、施工以及运维工作中，所作的大部分工作都是围绕着“不能断电”的原则开展的。基于这个原则，我们的生产机房采用了2N供电的冗余设计架构，进行了开关电缆的匹配选型，配置了各个层级的电力监控，当然还有大规模应用的不间断电源系统（UPS，uninterruptiblepowersupply）。

本文将主要介绍电力系统中三相电及UPS系统的运行原理，希望大家阅读本文之后能有所收获。

三相交流电

交流电泛指一切电压大小和方向都发生周期性变化的电流。交流电因为可以通过变压器进行简单的变压操作，增加电压，减少电流，进而减小输电线路的损耗，被广泛用于电气系统中。我国日常使用的交流电是电压为220V，频率为50Hz的正弦波电压，具体波形见下图。

其中Em是电压最大值，ω指的是频率角速度。换算到我们日常的数字，交流电的有效值

Ue=Em=220V,

频率f=2π/ω=50Hz。

回顾了220V交流电，我们再来看看交流电是如何产生的。下图简易的说明了交流电机的运转方式。简单来说就是电极导体旋转并切割磁场就可以产生电压，由于旋转过程中需要正向和反向各切割一次，因此产生的便是电压变换正负极的交流电。

但是在工业生产中，这样只有一组导体的发电机显然是不够高效的，那么多空闲的空间没有利用岂不是浪费了。于是工业生产中会在整个空间内设置多组导体，便成为了多相电机。历史上出现过很多种相数的电机，两相，三相，四相等等，但综合各种要素考量，最终由于三相电的各种优势，三相电机最终成为了应用的主流，大部分6相、12相的电机也会通过一定的接线方式转化为三相电进行输出。

具体说道三相电，我们可以拿一个三人自行车来举例子：当一个人骑车的时候，两脚做圆周运动，脚离轴的高度便可以近似成一个正弦函数Y=Msint，三个人骑车，就是处于三个不同相位的三个正弦函数。

如果三个人脚踏的旋转角度正好错开120度，设脚踏的高度为M，于是我从后面看他们三个人的脚踏位置为：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是说，此三个人的脚踏高度的总和为零。类似的，从三相电的曲线中也可以看出，线上三相电压的代数和等于零！这就是三相电的特点。如果我们仅仅抽取其中的两相电压值，我们会发现，电压的代数和正好与第三相电压大小相等方向相反。

可以看出，三相电便是由三个相同电压不同相位组成的三组电源。经过数学推导（电路计算中一般采用相量计算），当电源处于星形接线形式时（也是我们一般机房及楼宇配电常用形式），每相（火线）对中性线（零线）电压均为220V，而两相之间的电压即为，也就是我们常说的380V的电源。

总结一下我们上边说的结论，机房供电中，单相电就是220V电源；三相电就是三个220V的不同相电源，但是每两相之间的电压380V。

说了这么多，那么三相电和我们今天的主题UPS之间到底有什么关系呢？在实际使用中，UPS的输入和输出都是三相电，然而在UPS的工作原理方面，二者并没有什么关系。

UPS运行原理

对于机房内的负载，由于重要性高，负载大，我们所用的UPS都是在线式UPS。在线式UPS是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，逆变器一直处于工作状态。所以当停电时，UPS能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电，从而达到了输出电压零中断的切换目标。

在线式UPS的电路结构如下图所示。在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了滤波器后，再经过交流/直流、直流/交流两次变换后再供给负载。

最前端是输入滤波器，一方面滤除、隔离市电对UPS系统的干扰，另一方面也避免UPS内部的高频开关信号“污染”市电。输入滤波器的形式有很多种，通常采用电子类EMI，成本低，效率高。也可以采用带隔离变压器形式的滤波器，由隔离变压器对市电和后续电源进行电磁藕合，使得市电和UPS没有直接电气联系，部分突变的干扰不会传导至整流器中。目前我行上帝生产机房的UPS均采用了隔离变压器的滤波形式。

在线式UPS不论是由市电还是由蓄电池供电，其输出功率总是由逆变器提供。市电中断或送电时，无任何转换时间。平时，市电经整流器变成直流，然后再由逆变器将直流转换成纯净的正弦电压供给负载。另一路，市电经整流后对蓄电池进行充电。下图中实线部分就是正常工作情况下的电流走向。

如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由于过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回到逆变器输出端。

实现电压变换的两个主要部件分别是整流器和逆变器，分别起到交流-直流的变换和直流-交流的变换。一般UPS都采用了桥式整流的结构对交流电进行整流。下图是简单的桥式整流电路图及工作原理，利用了二极管单相导通特性，在电压处于不同方向时导通对角的二极管，配合一定的滤波稳压结构，就可以实现交流-直流的转换。

相比之下，逆变器的原理相对复杂，笔者在此只进行相对简单的解释。目前主流的逆变器都采用了脉宽调制(PWM)的方式对直流电进行变换。正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法。

为了得到接近正弦波的脉宽调制波形，我们将正弦波的一个周期在时间上划分成N等份（N是偶数），每一等份的脉宽都是2π/N。在每个特定的时间间隔中，可以用一个脉冲幅度都等于UΔm、脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假设正弦波的幅值为Um，等效矩形波的幅值为UΔm，则各等效矩形脉冲波的宽度为。

式中βi是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。

下图表示了当N为12时，正弦波与脉冲宽度的关系。而在实际运行时，一般采用高频率开关模块产生脉冲，一般频率在10kHZ左右。

在实际的小型UPS中，常用下图所示的用比较器组成的正弦脉宽调制电路来实现上述脉宽调制的目的。若将三角波脉冲送到比较器的反相端（-），将正弦波送到比较器的同相端（+），则在正弦波电压幅值大于三角波电压时，比较器的输出端将产生一个脉宽等于正弦波大于三角波部分所对应的时间间隔的正脉冲。于是在电压比较器的输出端将得到一串矩形方波脉冲序列。

经过脉宽调制的一系列脉冲，在经过进一步的滤波之后，便成为了各主机服务器使用的交流电源。

除了上边提到的两个电压变换模块外，给蓄电池进行充电的充电模块也是UPS的重要组成部分。一般手机充电器采用的恒压充电电路具有电路简单、成本低廉等优点。但这种充电电路使蓄电池组初期充电电流较大，影响蓄电池的寿命。所以在在线式UPS中一般采用分级充电电路，即在充电初期采用恒流充电，当蓄电池端电压达到其浮充电压后，再采用恒压充电。只要将额定电压、浮充电压、恒流充电电流设置恰当，就能使蓄电池的充电过程基本上沿着理想的充电曲线进行，从而延长蓄电池的使用寿命。在线式UPS蓄电池的典型充电特性如下图。

通常，电池的容量都是有限的，在市电失去的情况下，一般电池能够持续供电15分钟~1小时，如果市电故障时间过长，就需要接入应急电源。常用的应急电源是柴油发电机，如果条件许可，也可以接入第三路市电作为应急电源。