不間斷電源技術(shù)、特點(diǎn)及發(fā)展

　　當(dāng)前，數(shù)字革命和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)正席卷全球。隨著各種信息系統(tǒng)在各個行業(yè)的應(yīng)用，更帶動了不間斷電源（UPS）的迅猛發(fā)展。作為直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)軟硬件能否安全運(yùn)行的一個重要因素，電源質(zhì)量的可靠性應(yīng)當(dāng)成為中小企業(yè)、學(xué)校等首要考慮的問題。UPS（Uninterruptable Power System）是不間斷電源的意思，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻的不間斷電源，主要用于給服務(wù)器、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)。不間斷電源從計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備，一個不受重用的角色迅速變成為互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備及電子商務(wù)的保衛(wèi)者。UPS作為信息社會的基石，已開始了她新的歷史使命。隨著國際互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，對電力供電質(zhì)量提出了越來越高的要求，無論是整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備還是數(shù)據(jù)傳輸途徑給以端到端的全面保護(hù)，都要求配置高質(zhì)量的不間斷電源。

　　一、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(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常輸入時，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用。同時對機(jī)內(nèi)電池充電，把能量儲存在電池中，當(dāng)市電中斷（各種原因停電）或輸入故障時，UPS即將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

　　UPS主要從九十年代開始成規(guī)模，90年代初，對UPS要求能提供無時間中斷的電源來確保用戶的數(shù)據(jù)不致丟失為保護(hù)重點(diǎn)；90年代中期，在UPS配置了RS232接口和在計(jì)算機(jī)監(jiān)控平臺上配置各種電源監(jiān)控軟件的智能化 UPS，保護(hù)重點(diǎn)為用戶的數(shù)據(jù)的完整性；到了90年代末期，UPS以確保系統(tǒng)具有“高穩(wěn)定性”及“高可用性”為其保護(hù)重點(diǎn)。不同年代的需要對UPS不同分類及發(fā)展，UPS的分類及展是當(dāng)今信息社會高速發(fā)展的需要。

　　二、UPS的基本分類與特點(diǎn)

　　目前市場上已經(jīng)有不同類型的UPS，按UPS的工作方式可分為后備式、在雙變換在線式、在線互動式三大類。

　　1、 備式UPS電源

　　它是靜止式UPS的最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只用小功率范圍，電路簡單，價格低廉。這種UPS對電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網(wǎng)侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善:

　　其工作性能特點(diǎn)：

　　1） 市電利用率高，可達(dá)96%。

　　2） 輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰因數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格的限制。

　　3） 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動作時間限制。

　　4） 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。

　　2、 在線互動式UPS電源

　　也稱為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(jīng)端口1流入變壓器，在穩(wěn)壓電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭拉入，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(zhuǎn)換共同調(diào)節(jié)端口3上的輸出電壓，以此來達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果。當(dāng)市電掉電時，蓄電池通過雙向變換器經(jīng)端口2給變壓器供電，維持端口3上的交流輸出。在線動式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(shí)現(xiàn)輸出電壓的不間斷。

　　其工作性能特點(diǎn)：

　　1） 市電利用率高，可達(dá)98%。

　　2） 輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰因數(shù)、浪涌系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格的限制。

　　3） 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。

　　4） 變換器直接接在輸出端，并處于熱備份狀態(tài)。對輸出電壓尖峰干擾有抑制作用。

　　5） 輸入開關(guān)存在斷開時間，致使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時間，但比后備式小得多。

　　6） 變換器同時具有充電功能，且其充電能力很強(qiáng)。

　　7） 如在輸入開關(guān)與自動穩(wěn)壓器之間串接一電感，當(dāng)市電掉電時，逆變器可立即向負(fù)載供電，可避免輸入開關(guān)未斷開時，逆變器反饋到電網(wǎng)而出現(xiàn)短路的危險。

　　3、 雙變換在線式UPS電源

　　它是屬于串聯(lián)功率傳輸方式。當(dāng)市電存在時，實(shí)現(xiàn)AC－＞DC轉(zhuǎn)換功能，一方面向DC－＞AC逆變器提供能量，同時還向蓄電池充電。該整流器多為可控硅整流器，但也有IGBT－PWM－DSP高頻變換新一代整流器。當(dāng)逆變時，完成DC－＞AC轉(zhuǎn)換功能，向輸出端提供高質(zhì)量電能，無論由市電供電或轉(zhuǎn)向電池供電，其轉(zhuǎn)換時間為零。當(dāng)逆變器過載或發(fā)生故障時，逆變器停止輸出，靜態(tài)開關(guān)自動轉(zhuǎn)換，由市電直接向負(fù)載供電。靜態(tài)開關(guān)為智能型大功率無觸點(diǎn)開關(guān)。

　　其工作性能特點(diǎn)：

　　1） 不管有無市電供應(yīng)，負(fù)載的全部功率都由逆變器提供，保證高質(zhì)量的電力輸出。

　　2） 由于全部負(fù)載功率都由逆變器提供，因而UPS的輸出能力不理想，對負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載流峰值因數(shù)，過載能力，輸出功率因數(shù)等。

　　 3） 對可控整流器還存在輸入功率因數(shù)低，無功損耗大，輸入諧波電流對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的，當(dāng)然，若使用IGBT－PWM－DSP整流技術(shù)成功率因數(shù)校正技術(shù)，可把輸入功率因數(shù)提高到接近1。

　　4、 雙逆變電壓補(bǔ)償在線式UPS電源

　　此項(xiàng)技術(shù)是近些年提出來的，主要是把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理（delta變換）應(yīng)用到UPS的主電路中，產(chǎn)生一種新的UPS電路結(jié)構(gòu)型式，它屬于串并聯(lián)功率傳輸。

　　其工作性能特點(diǎn)：

　　1） 逆變器（II）監(jiān)視輸出端，并與逆變器（I）參與主電路電壓的調(diào)整，可向負(fù)載提供高質(zhì)量的電能。

　　2） 市電掉電時，輸出電壓不受影響，沒有轉(zhuǎn)換時間；當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時，由逆變器（II）調(diào)整補(bǔ)償，因而是在線工作方式。

　　3） 當(dāng)市電存在時，逆變器（I）與（II）只對輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)償，逆變器只承擔(dān)最大輸出功率的20%，因而功率余最大。過載能力強(qiáng)。

　　4） 逆變器（I）同時完成對輸入端的功率因數(shù)校正功能。輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.99，輸入諧波電流＜3%。

　　5） 在市電存在時，由于兩個逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的1/5，因此整機(jī)效率可達(dá)到96%。

　　6） 在市電存在時，逆變器（II）功率強(qiáng)度僅為額定值的1/5，因此功率器件的可靠性必然大大幅度提高。

　　7） 由于具有輸入功率因數(shù)補(bǔ)償，因而有節(jié)能效果。

　　三、UPS電源的選購

　　一臺UPS至少可以使用3年以上，用戶在挑選UPS電源時，應(yīng)根據(jù)自己的要求來確定挑選標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適合自身業(yè)務(wù)需求的UPS，而不是最便宜或最高檔。在選購UPS之前，用戶應(yīng)就負(fù)載設(shè)備所處理資料的重要性、各種用電設(shè)備對電源質(zhì)量的要求、安裝與空間要求以及經(jīng)濟(jì)預(yù)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(yīng)注意的關(guān)鍵問題。

　　接下來，用戶應(yīng)了解所需UPS的容量，并考慮未來擴(kuò)充設(shè)備時的總?cè)萘?。選擇有信譽(yù)的品牌與制造商也是必不可少的。當(dāng)然，在購買UPS時還要注意其輸出功率、可供電霎時間長短、輸出電壓波形、瞬時響應(yīng)特性、輸出頻率穩(wěn)定度、波形失真系數(shù)、輸出電壓穩(wěn)度、安全性能、可維護(hù)性能及價格等諸多問題。簡而言之，用戶應(yīng)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求來選購適當(dāng)?shù)腢PS產(chǎn)品，并從技術(shù)性能、服務(wù)保證和產(chǎn)品價格3個方面進(jìn)行考慮。

　　對供電質(zhì)量要求很高的計(jì)算中心、網(wǎng)管中心等，為確保對負(fù)載供電的萬無一失，常需要采用以下幾種具有“容錯”功能的冗余供電系統(tǒng)：

　　1） 主機(jī)－從機(jī)型“熱備份”冗余供電系統(tǒng)：基結(jié)構(gòu)是將主機(jī)UPS的交流旁路連接到從機(jī)UPS的逆變器電源輸出端，萬一主機(jī)USP出故障，可改由從機(jī)UPS帶載。這種冗余工作方式由于沒有“擴(kuò)容”功能和可能出現(xiàn)4毫秒的供電中斷，其應(yīng)用范圍有限。

　　2）利用雙機(jī)冗余供電系統(tǒng)：通過將兩臺具有相同功率的UPS輸出置于同幅度、同相位和同頻率的狀態(tài)而直接并聯(lián)起來。正常工作時，由兩臺UPS各承擔(dān)1/2負(fù)載電流，萬一其中一臺UPS出故障，則由剩下的一臺UPS來承擔(dān)全部負(fù)載。這種并機(jī)系統(tǒng)的平均故障工作時間（MTBF）是單機(jī)UPS的7－8倍，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　四、UPS的維護(hù)

　　隨著電腦的日益普及，電腦的保護(hù)神UPS也得到了廣泛的應(yīng)用。UPS是使用簡單但又容易損壞的設(shè)備?？茖W(xué)的使用和維護(hù)將會延長UPS的壽命。

　　1） 盡量不接電感性負(fù)載。因?yàn)殡姼行载?fù)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(fù)載包括夏天常用的電風(fēng)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(rèn)為空著的接口不應(yīng)該閑著而連接其他電器。長期滿載狀態(tài)將直接影響UPS的使命。

　　3） 保護(hù)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(shù)中不型的UPS都采用無需維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池。雖然表面上它不需要維護(hù)，但照顧不周，同樣會出毛病，何況這種電池還很貴，要求在0－30環(huán)境中工作。

　　4） 定期維護(hù)。通常，半年應(yīng)該給UPS測量一下電池的端電壓。如果電壓超過1V就應(yīng)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(dāng)?shù)亻L期不停電，必須定期（一般為三個月）人為中斷供電，使UPS帶負(fù)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(hù)。

　　五、UPS電源的發(fā)展趨勢

　　隨著新技術(shù)不斷地被開發(fā)出來和在實(shí)踐中的逐步應(yīng)用，可以預(yù)見：今后UPS電源將向著高頻化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和大容量單機(jī)冗余化的方向發(fā)展。

　　高頻化：雖然傳統(tǒng)在線式的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但由于它本身帶有許多無法突破的問題，使其發(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(shù)和器件的發(fā)展，3KVA及以下的高頻在線式UPS的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成熟，其功能和可靠性均應(yīng)高于傳統(tǒng)UPS，高頻化對于減小體積、降低成本，以及對非線性負(fù)載有更好的響應(yīng)上起著重要的作用。

　　智能化：微處理器在UPS上的應(yīng)用，過去只在大、中型UPS上來用，近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其結(jié)果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測、通信。UPS逐漸由計(jì)算機(jī)管理，并且計(jì)算機(jī)及外設(shè)能“自主”應(yīng)付一些可能預(yù)見到的問題，能進(jìn)行自動管理和調(diào)整，并能將有關(guān)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)管理員，便于進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

　　網(wǎng)絡(luò)化：把UPS做為網(wǎng)絡(luò)家庭一個成員的要求越來越迫切，因?yàn)樗蔷W(wǎng)絡(luò)能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時為多臺計(jì)算機(jī)或其它外設(shè)服務(wù)，并能夠通過某種機(jī)制達(dá)成負(fù)載之間的動態(tài)配置。

　　大容量單機(jī)冗余化：由于網(wǎng)絡(luò)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(jī)內(nèi)冗余已出現(xiàn)。而大容量的UPS目前還必須通過并機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)。但這樣做又會使用戶投資太大。但毫無疑問，使用Internet技術(shù)監(jiān)控的UPS系統(tǒng)將成為未來 UPS技術(shù)的主流之一。