UPS技術及其發(fā)展趨勢

摘要：介紹了USB的工作原理、選購方法和維護技術，闡述了UPS的發(fā)展趨勢，具有較強的實用性。

關鍵詞：UPS 選購 維護 發(fā)展趨勢

計算機已在各行各業(yè)得到廣泛應用。作為直接關系到計算機軟硬件能否安全運行的的一個重要因素——電源質量的可靠性應當成為中小企業(yè)首要考慮的問題。伴隨著計算機的誕生而出現的UPS（Uninterruptable Power System）現已被廣大計算機用戶所接受。UPS主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。目前，UPS正在被廣泛地應用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)。

1 UPS的工作原理

UPS是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護設備。當市電正常輸入時，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負載使用，同時對機內電池充電，把能量儲存在電池中；當市電中斷（事故停電）或輸入故障時，UPS即將機內電池的能量轉換為220V交流電繼續(xù)供負載使用，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

目前市上供應的UPS電源設備種類較多，輸出功率為500VA～3000kVA。UPS按工作模式可分為后備式、在線式和在線互動式3大類，按其輸出波形又可分為方波輸出和正弦波輸出兩種。

1.1 后備式UPS電源

在市電正常供電時，市電通過交流旁路通道再經轉換開關直接向負載提供電源，機內的逆變器處于停止工作狀態(tài)，這時的UPS電源實質上相當于一臺性能較差的市電穩(wěn)壓器。它除了對市電電壓的幅度波動有所改善外，對電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善。只有當市電供電中斷或低于170V時，蓄電池才對UPS逆變器供電，并向負載提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的方波交流電源。

1.2 在線式UPS電源

在市電正常供電時，它首先將市交流電源經整流變成直流電源，然后進行脈寬調制、濾波，再將直流電經逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電池提供的直流電經逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此，對在線式UPS電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆變器對負載供電，這樣就避免了所有由市電電網電壓波動及干擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電質量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因為它可以實現對負載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時，其轉換時間為零。真正給用戶提供高質的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網絡系統需要的電源保護。

1.2 在線互動式UPS電源

在市電正常供電時，它首先將市電交流電源經整流變成直流電源，然后進行脈寬調制、濾波，再將直流電經逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電電池提供的直流電經逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此，對在線式UPS電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆變器對負載供電，這樣就避免了所有由市電電網電壓波動及干擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電質量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因為它可以實現對負載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時，其轉換時間為零。真正給用戶提供高質的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網絡系統需要的電源保護。

1.2 在線互動式UPS電源

在線互動式UPS電源也被稱為3端口式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的角度來考慮，其變壓器存在3個能量流動的端口：端口1連接市電輸入；端口2通過雙向變換器與蓄電池相連；端口3輸出。市電供電時，交流電經端口1流入變壓器，穩(wěn)壓電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭接入，同時在端口2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能量轉換共同調節(jié)端口3上的輸出電壓，以此來達到比較好的穩(wěn)壓效果。市電掉電時，蓄電池通過雙向變換器經端口2給變壓器供電，維持端口3上的交流輸出。在線互動式UPS電源在變壓器抽頭切換的過程中，雙向變換器作為逆變器方式工作。蓄電池供電，因此能實現輸出電壓的不間斷，同樣在由市電供電到電池供電的切換過程中也能做到沒有轉換時間。在線互動式UPS電池的電路實現簡單，沒有單獨的充電器，帶來的是生產成本的降低和可靠性的提高。這類產品在市電供電工作時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換，使整機效率有所提高。在線互動式UPS很好地結合了后備式UPS和在線式UPS的許多優(yōu)點，是一種很不錯的變換形式。但是由于它使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問題。

2 UPS的選購

一臺UPS至少可以使用3年以上。用戶在挑選UPS電源時，應根據自己的要求 來確定挑選標準，選擇最適合自己身業(yè)務需求的UPS，而不是最便宜或最高檔的。在選購UPS之前，用戶應就負載設備所處理資料的重要性、各種用電設備對電源質量的要求、安裝與空間要求以及經濟預算等因素綜合考慮。此外，UPS的重量和體積大小是否合適也是我們在選購時應注意的關鍵問題。

接下來，用戶應了解所需UPS的容量，并考慮未來擴充設備時的總容量。選擇有信譽的品牌與制造商也是必不可少的。當然，在購買UPS時還要注意其輸出功率、可供電時間長短、輸出電壓波形、瞬時響應特性、輸出頻率穩(wěn)定度、波形失真系數、輸出電壓穩(wěn)度、安全性能、可維護性能及價格等諸多問題。簡而言之，用戶應根據自身的業(yè)務需求選購適當的UPS產品，并從技術性能、服務保證和產品價格3個方面進行考慮。

網絡用戶可以考慮選用在線互動式UPS電源。在線互動式UPS種類較多，但品質良莠不齊，在選購時，一定要認準好的品牌。

對供電質量要求很高的計算中心、網管中心（例如：銀行、證券、航管中心）等，為確保對負載供電的萬無一失，常需要采用下述幾種具有“容錯”功能的冗余供電系統。

主機-從機型“熱備份”冗余供電系統：其結構是將主機UPS的交流旁路連接到從機UPS的逆變器電源輸出端，萬一主機UPS出故障，可改由從機UPS帶載。這種冗余工作方式由于沒有“擴容”功能和可能出現4毫秒的供電中斷，其應用范圍有限。

“1+1”型直接開機冗余供電系統：它是通過將兩臺具有相同功率的UPS的輸出置于同幅度、同相位和同頻率的狀態(tài)而直接并聯起來。正常工作時，由兩臺UPS各承擔1/2負載電流，如果其中一臺UPS出故障，則由剩下的一臺UPS來承擔全部負載。這種并機系統的平均故障間隔時間（MTBF）是單機UPS的7～8倍，從而大大提高了系統的可靠性。

3 UPS的日常維護

隨著電腦的日益普及，電腦的保護神UPS也得到了廣泛的應用。UPS是使用簡單但自身又比較嬌氣的設備，科學的使用和維護將會延長UPS的壽命。

（1）盡量不接電感性負載。因為電感性負載的啟動電流往往會超過額定電流的3～4倍，這樣就會引起UPS的瞬時超載，影響UPS的壽命。電感性負載包括夏天常用的電風扇、冰箱等。

（2）不宜滿載或過度輕載。不要按照UPS的額定功率去使用它，不要認為空著的接口不應該閑著而連接其他電器。長期滿載狀態(tài)將直接影響UPS壽命。一般情況下，在線式UPS的負載量應該控制在70%～80%，而后備式的UPS的負載量應該控制在60%～70%。

（3）保護好蓄電池。UPS的一個非常重要的組成部分就是蓄電池。目前，多數中小型的UPS都采用無需維護的密封式鉛酸蓄電池。雖然表面上它不需要維護，但照顧不周，同樣會出毛病，何況這種電池很貴。蓄電池是比較嬌貴的，要求在0～30℃環(huán)境中工作，25℃時效率最高。

（4）定期維護。通常，半年應該測量一下UPS電池的端電壓。如果電壓超過1V就應該使用均衡的恒壓限流（0.5A）充電；若不奏效，只能換新電池。如果當地長期不停電，必須定期（三個月）人為中斷供電，使UPS帶負載放電。

（5）注意防雷擊。一定要注意保證UPS的有效屏蔽和接地保護。

4 UPS的發(fā)展趨勢

隨著新技術不斷開發(fā)和在實踐中的逐步應用，可以預見：今后UPS將向著高頻化、智能化、網絡化和大容量單機冗余化的方向發(fā)展。

高頻化：雖然傳統在線式UPS的技術已經非常成熟，由于它本身帶有許多無法突破的問題，供其發(fā)展前途受限。高頻化概念的引入，給UPS的發(fā)展帶來了許多新的思路和空間。隨著高頻技術和器件的發(fā)展，3kVA及以下的高頻在線式UPS的技術和產品已經成熟悉，其功能和可靠性均應高于傳統UPS。高頻化對于減小體積、降低成本以及對曲線性負載有更好的響應上起著重要的作用。

智能化：微處理器在UPS上的應用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來的結果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來進行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見到的問題，能進行自動管理和調整，如自動關閉宿主計算機的操作系統并關閉其電源，定時開關UPS本身等，并能將有關信號通過網絡傳遞給操作系統或網絡管理員，便于進行遠程管理。

網絡化：把UPS做為網絡家庭一個成員的要求越來越迫切，因為它是網絡能正常運行的基礎。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時為多臺計算機或其它外設服務，并能夠通過某種機制達成負載之間的動態(tài)配置。

大容量單機冗余化：由于網絡對UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機內冗余已出現。在大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現，但這樣作又作用戶投資太大。毫無疑問，使用Internet技術監(jiān)控UPS系統將成為未來UPS技術的主流之一。