UPS平均无故障时间MTBF计算

UPS平均无故障时间MTBF计算

实现UPS系统的主要目的是改进可靠性，使其达到最佳技术性能，最终目标是完全消除发生故障或间断的可能。50年代，第一台静态UPS系统出现时，它们由一个整流器，电池及逆变器构成。逆变器用于稳定输出电源，并在发生整流器故障的情况下，向负载短时间供电（靠电池单独维持）。这种简单的UPS电路结构的可靠性，主要取决于逆变器的可靠性。逆变器的故障将直接导致负载失效。而且，失效时间（不提供负载电流）一直要延续到逆变器修复为止。在60年代早期，引入了静态旁路切换开关，从而当发生逆变器故障或过载时，能够无间断地将负载切换至备用电网供电电源。尽管备用电网供电电源远不如UPS那么可靠，但发生逆变器故障时，它可作为储备电源，在逆变器修理期间继续向负载供电。这一新的结构，切实提高了总体可靠性，使可靠性不再主要取决于逆变器的可靠性。带静态开关的新型UPS的可靠性，取决于备用电网供电电源的品质（MTBFMAINS）、UPS的修复时间（MTTRUPS）、并取决于静态开关的可靠性。此外，本文（第4页）还阐述了，MTBFMAINS和` MTTRUPS对于UPS整体可靠性的影响。

近年来，依赖于计算机控制实时信息系统的日常活动呈指数上，对于高可靠UPS配置的需求已成千真万确的事实。特别重要的关键用电设备，不能仅靠单个带静态旁路开关的UPS这样的电源配置；具有（n+1）个并联冗余备用UPS的供电配置，正在成为当今的标准要求。

本文阐述各种不同UPS配置的可靠性。整流器/升压电路，电池，逆变器，静态旁路及其它部件的可靠性指标，源于资料MIL-HDBK-217 F (Not.2 1995) 中列举的可靠性数据。以下计算，在NEWAVE CONCEPTPOWER（概念电源）UPS-系列产品得以实施，并得到现场统计的证实。可惜，因NEWAVE公司的规定，不能公布这些统计资料。

1.无静态旁路切换开关（SBS）的UPS单机

无静态旁路切换开关的UPS单机的可靠性，基本上取决于整流器，电池及逆变器的可靠性（见图1中的电气原理框图）

例：逆变器发生故障时，负载装置即失效。

UPS系统的可靠性

公式中所用的变量说明：

MTBFSU：无静态旁路的单UPS装置，两次故障之间的平均时间

λUPS：无静态旁路开关单UPS装置的故障率

λRECT：整流器的故障率

λBATT：电池的故障率

λINV：逆变器的故障率

无旁路UPS系统的MTBF（即MTBFSU）的计算：

MTBFUPS = 1/λUPS

λUPS =λRECT +λBATT+λINV ……………………(E.1)

若按NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，取各故障率数值，λRECT = 20·10-6 [小时-1]；λBATT = 10· 10-6 [小时-1]；λINV = 20·10-6 [小时-1]，代入方程（E.1），则无静态旁路UPS系统的故障平均间隔时间（MTBFUPS）MTBFUPS =20,000 [小时]

2.带静态旁路切换开关（SBS）的单UPS

引入一个冗余的备用电网供电电源，并将静态旁路开关与主UPS电源连接，就能大大提高单UPS的可靠性。

例：逆变器发生故障时，负载设备将不会失效。负载将无间断地转接至电网供电电源。

公式中所用的变量说明：

MTBFUPS+SBS：带静态旁路开关（SBS）的单UPS装置，两次故障之间的平均时间

MTBFM：电网供电电源，两次故障之间的平均时间

λUPS+SBS: 带静态旁路开关的单UPS系统的故障率

λSBS：含控制电路的静态旁路开关的故障率

λPBUS：并联总线的故障率（仅适用于并联系统）

λM：电网供电电源的故障率

UPS系统的可靠性

μSU:静态旁路开关的修复率（μSU = 1/ MTBFUPS）

μM:电网供电电源的修复率（μM = 1/ MTBFM）

MTTRSBS: 静态旁路开关的平均修复时间

MTTRM:电网供电电源的平均修复时间

注意，所有的计算，都采用以下的常数进行：

MTBFM = 50 [小时]，该指标表示“优质”的电网供电电源

MTTRUPS = 6 [小时]

MTTRM = 0.1 [小时]

此外，根据NEWAVE公司有关故障的统计分析资料，由功率部分及控制电子线路引起的静态旁路开关故障率，取下列数值：λSBS = 2·10-6 [小时-1]

带静态旁路开关的UPS系统的MTBF（即MTBFSU+SBS）的计算： MTBFUPS+SBS = 1/λUPS+SBS

λUPS+SBS =λUPS//λM+λSBS ……………………(E.2)

λUPS+SBS =λUPS//λM+λSBS = 6·10-6 [小时-1]+ 2·10-6 [小时-1] = 8·10-6 [小时-1]

MTBFUPS+SBS = 125,000 [小时]

注：由上面的公式可见，带静态旁路开关的UPS系统的可靠性（即MTBFSU+SBS）取决于三个参数：电网供电电源的可靠性，UPS的MTTR，以及静态旁路开关的可靠性。其关系曲线示于图3中。

3.带静态旁路切换开关（SBS）的并联冗余的备用UPS

引入并联冗余配置，能够大大地提高单个UPS 的可靠性。

图4 （n+1）并联冗余UPS配置的电气原理框图和可靠性框图。

UPS系统的可靠性

(n+1)并联冗余UPS系统的MTBF（即MTBF(n+1)UPS+SBS）的计算：

我们将从计算故障率的公式着手：

λ(n+1)UPS+SBS

=(λUPS1//λUPS2…λUPS(n+1))+(n+1)λPBUS+(λSBS1//λSBS2…//λSBS(n+1)) (E.3) 故障率：λ(n+1)UPS+SBS ～(n+1)λPBUS (E.4)

可靠性： MTBF(n+1)UPS+SBS = 1/λ(n+1)UPS+SBS (E.5)

利用率： A(n+1)UPS+SBS = MTBF(n+1)UPS+SBS / MTBFUPS+SBS +MTTRUPS (E.6) （译者注：公式（E.6）有误，分母上似乎应加括号。原文如此）

(n+1)并联冗余UPS系统的可靠性，在很大程度上取决于并行总线故障率的可靠性，并行总线是唯一的单点故障。在并联冗余UPS系统，静态旁路转接开关及其控制电路，以及电网供电线缆也都是冗余配置，因此，它们对于总体可靠性的影响很小，甚至可以忽略不计。

这里，将采用下列常数，对并联冗余UPS系统进行一些计算：

MTBFM = 50 [小时]，该指标表示“优质”的电网供电电源

λPBUS = 0.4·10-6 [小时-1]