【文章內容簡介】 來 UPS 技術走過了快速發(fā)展的歷程 ,按技術可以分為以下三種類型。 1. 后備式 (Standbyoroff line) 后備式 UPS的本質特點是具有離線的逆變器 ,并且由于逆變器平時為冷備狀態(tài) ,因此 9 存在較長的電池切換時間。市電輸入良好的 ,UPS 將市電直接導通到負載側 (沒有在線調壓裝置 )。只有當市電輸入失敗或供電質量超出 UPS 正常輸入范圍時 ,才啟動逆變器 ,并切換到電池放電狀態(tài)。該類 UPS 范圍窄 ,容量小 (400～ 1000 W) ,在線及逆變輸出質量差 ,且切換時間較長 ,長延時應 用能力較差 ,因此綜合的可用性較差 ,只適用于單臺 PC等非重要場合的一般性電源保護。但其結構簡單 ,體積小噪音低 ,故普遍具有較高的工作效率 ,以及較經濟的價格。 圖 是后備式 UPS 的原理圖。 輸 入 輸 出濾 波充 電 器轉 換 開 關逆 變 器 市 電 正 常 市 電 故 障 電 池 圖 后備式 UPS原理圖 (1)普通交互在線式 (Line Interactive) 該類 UPS 同樣具有離線的逆變器 ,但為熱備狀態(tài)。當 UPS 在線工作時 ,逆變器作為雙向變換器起到為電池充電的作用 。而電池放電狀態(tài)時 ,可快速投入逆變工作 ,因此可以提供更快的切換時間 ,確保負載在切換時不受到任何影響。同時提供相當程度的電壓調整能 力以及輸入輸出的濾波及浪涌抑制環(huán)節(jié)。從而可以提供良好的凈化輸出電源 ,對負載起到更好的保護作用。 (2)高級交互在線式 (Line Interactive Plus) 高級交互在線式 除具有一般交互在線 UPS 性能外 ,又進一步拓寬了輸入電壓的波動范圍 ,縮小了輸出電壓的波動范圍 (較在線式 UPS 稍寬 ) ,使之具有很高的可用性。同時在電池管理方面引入智能化管理 ,加快回充速度 ,延長電池壽命 ,并提供 電池潛在的故障早期報警。因此 ,高級交互式 UPS 在充分考慮到 UPS 的可用性基礎上 ,保持簡化的結構 ,提供高效率及整機的高可靠性。交互在線技術在 1～ 3 kVA 容量范圍內應用效果比較理想 ,對于大多數分布較分散的小型計算機網絡及通訊設備而言 ,交互在線 UPS以其獨特的綜合性能優(yōu)勢 ,得到廣泛應用。但交互在線 UPS 也具有一定的局限性 ,除容量 (1～ 3 kVA)限制外 ,其對頻率干擾的適應性較差 ,因些對柴油發(fā)電機的適應力也不如傳統(tǒng)在線 UPS好。 圖 是 交互在線式 UPS 的原理圖 。 10 輸 入 輸 出濾 波整 流 充 電轉 換 開 關逆 變 器 市 電 正 常 市 電 故 障 電 池穩(wěn) 壓 圖 交互在線式 UPS原理圖 3. 傳統(tǒng)在線式 (On Line) 該類 UPS 的本質特征就是 :逆變器始終在線工作 ,因此在電池切換中無須切換時間。在線 UPS 的結構決定了其與市電輸入的無關性。因此對輸入電的適應能力更強 ,尤其表現(xiàn)在對頻率變化的適應能力。輸出則提供非常精準的電壓穩(wěn)定度 ,頻率穩(wěn)定度 ,同時整機在噪聲抑制 ,浪涌保護等功能上都大大提高。與前兩者相比 ,相同容量的在線 UPS 更適合于輸出范圍要求嚴格的場合 ,或柴油機供電、電網惡劣、頻率及電壓波動 較大的場合。另外 ,在線 UPS容量范圍比后備及交互在線 UPS寬的多 ,由于技術上的可實現(xiàn)性 ,在線 UPS可提供 1～ 300 kVA 的各容量段的不 同應用。并且在長期各種場合的使用中增加了很多輔助功能 ,如自動旁路、手動旁路、電池管理、通訊管理、效率優(yōu)選以及各種冗余方式的應用。因此 ,在應用范圍上也較前兩者更廣 ,無論在小型分布式或大中型集中供電方式中都有一席之地 ,尤其是在大中型集中供電方式中 ,更具有絕對優(yōu)勢。對于在線 UPS 本身來講 ,面向集中可靠供電現(xiàn)場的大中型 UPS 在包括保護、可靠性、冗余措施等諸多方面的設計上與小型在線 UPS 比較 ,有著很大的飛躍 ,從而確保在重要場合應用的可靠性。 圖 是 傳統(tǒng)在線式 UPS 的原理圖 。 輸 出濾 波充 電 器轉 換 開 關逆 變 器 市 電 正 常 市 電 故 障 電 池整 流 器輸 入 圖 傳統(tǒng)在線式 UPS原理圖 11 使用 UPS 的原因 UPS 作為計算機的重要外設，在保護計算機數據、保證電網電壓和頻率的穩(wěn)定，改進電網質量，防止瞬時停電和事故停電對用戶造成的危害等是非常重要的。 一個理想的交流電源，應該滿足以下幾個條件： 1. 頻率穩(wěn)定 ； 2. 電壓穩(wěn)定 (土 5%內 )； 3. 不含諧 波失真 (5%)； 4. 沒有噪聲干擾 (符合 IEEE 587,FCC,CE 等標準規(guī)定 )； 5. 低輸出阻抗。 大家可以想象，今天如果未使用不間斷電源系統(tǒng)，那么當市電發(fā)生異常，將造成計算機死機，甚至造成硬件故障，到時維修費將不可預期；硬件的故障可花錢消災，但是存在硬盤中的資料呢？那可是有錢也買不到，所以為 設備 添加 不斷電 源 系統(tǒng)，就如同買保險一樣，有備無患； UPS 系統(tǒng)并不是只有當停電時才有動作的，前面所提到的市電異常，包含了市電電壓過低、過高、突波、噪聲等，足以影響設備正常運作的電源品質，因此 UPS 的重要性可見一 斑。 直流 UPS相對與交流 UPS 的功能特點 直流 UPS 的定義 直流 UPS 即 DC UPS 是 DC Uninterruptible Power System 的縮寫。也就是 直流 不間斷電源系統(tǒng)。 與傳統(tǒng) UPS 的相比省掉了逆變器，也就是直接將市電整流穩(wěn)壓后供給用電設備和對電池進行充電。過程如下： 當市電正常輸入時， UPS 就將市電 整流 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 立即將機內電池的能量轉換為 負載需要的 直流電 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 ，數據不會丟失 。 直流 UPS 的分類 直流 UPS 家族有各種不同的電路拓撲，其中有代表性的是如下三種： 1． 無逆變器不間斷電源 UPSWI（ UPS Without Inverter）是用電壓補償穩(wěn)壓器取代傳統(tǒng) UPS 中的逆變器，用以補償整流濾波后的脈動直流電壓，使輸出直流電壓保持恒定。 12 2． 無功耗不間斷電源 UPSWM（ UPS With Minimum sumption），是在 傳統(tǒng) UPS電路拓撲中，去掉其中的兩個電壓補償穩(wěn)壓器，就是無功耗 UPS 的原理圖 了 ，整流后的脈沖 直流電壓經過邏輯電路限定以后，直接輸出到用戶設備，同時對蓄電池進行充電。整機除整流濾波器外，沒有任何功率變換器。 3． 無變換器不間斷電源 UPSWC（ UPS Winthout Converter），顧名思義，其中沒有任何功率變換器，當市電正 常時，市電經過邏輯電路限定以后，直接進入用戶設備，同時，對蓄電 池 進行充電。當市電中斷時，蓄電池的直流電壓直接進入用戶設備。除靜態(tài)開關外，其中不包括任何功率器件， 可以 用全功率變換器概念來理解 。 傳統(tǒng) UPS 實現(xiàn)不了直流供電的原因 1． 歷史上的原因 早期的不間斷電源， 其主要目的是使交流電不中斷，因為當時的用戶設備全都是一些馬達和變壓器。為了達到這一目的，就必須進行逆變，這就產生了逆變器，于是大家都圍繞著逆變器做文章。不間斷電源發(fā)明的初衷，并沒有預計到科學發(fā)達的今天，計算機會如此大行其道，也沒有預計到開關電源的應用會如此普及，以至于逐步取代了以工頻變壓器為依托的線性電源 [8]。高可靠、高效率的開關穩(wěn)壓電源，不再一定需要交流供電。面對用戶特征的這種改變， UPS 理應作出快速反應，但是，由于思維的慣性，直到現(xiàn)在，大家仍然還在圍繞著逆變器做文章。 2. 成本上的原因 就 算想到了用直流供電，但要獲得恒定和不間斷的直流電壓，卻非易事。線性穩(wěn)壓電源效率低，體積大，運行成本高。開關穩(wěn)壓電源雖然效率高，體積小，運行成本低，但其制造成本高。因此，直流穩(wěn)壓電源的綜合成本要比相同功率不間斷電源的整個成本還要高得多，這就完全阻止了不間斷電源直流供電的產生和發(fā)展。 3. 技術上的原因 開關穩(wěn)壓電源最近十幾年才廣泛應用于計算機和通訊，一般輸出功率相對較小，要制造一個功率稍大一點 (例如 50kW)的開關穩(wěn)壓電源，就當時的器件和工藝水平而言，幾乎是不可能的。因此，開關電源用于對大型 UPS 的 輸出進行直流穩(wěn)壓，實現(xiàn)的難度較大，還不如繼續(xù)改進逆變器來得容易。 4. 電路上的原因 13 傳統(tǒng) UPS 是 ACDCAC 模式，它有兩個變換環(huán)節(jié)：一是整流濾波 (ACDC)環(huán)節(jié)，二是逆變 (DCAC)環(huán)節(jié)。既然直流是最好的電壓波形，經過第一個環(huán)節(jié)已經得到了直流，為什么還要多此一舉，再來一個逆變環(huán)節(jié)呢？要知道，這個逆變環(huán)節(jié)占整機成本、體積、重量、功耗的 90%以上，而設計制造的難點也都集中在這里。實際上，第二個環(huán)節(jié)把直流變成交流，完全是吃力不討好 [9]，因為計算機用戶設備真正需要的并不是交流，交流電壓一旦進入 計算機用戶設備，立刻就要進行相反的變換，把交流電壓整流濾波成直流電壓。 直流 UPS 實現(xiàn)直流供電的方法 傳統(tǒng) UPS 中有個體積最大、造價最高、工藝最復雜、器件要求最嚴格、設計制造難度最大的部件，這就是被稱之為 UPS 心臟的逆變器。逆變器將直流電壓 (在市電正常供電時，是市電整流濾波后的直流電壓；在市電中斷時，是蓄電池輸出的直流電壓 )逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的交流電壓，提供給用戶設備。無論市電正?；蛑袛啵?UPS 的逆變器總是一直啟動運行。不間斷電源之所以不間斷，實際上是逆變器的不間斷。按照常理，動物是不能沒有心臟的 ，因此，沒有逆變器理所當然就不能成其為不間斷電源。 UPS 和用戶設備的連接方框圖如圖 所示 ： 左邊虛線框是 UPS，包括射頻濾波器、整流濾波器、蓄電池和逆變器，右邊虛線框是用戶設備，包括整流濾波器、直流變換器和設備電路板。中間的點畫線框包括 UPS 的逆變器和用戶設備的整流濾波器。輸入到此點劃線框左邊的是 300V 直流電壓，從此點劃線框右邊輸出的還是 300V 直流電壓，這 就意味著該點劃線框內的部件是多余的，應該去掉。一 方面 是設計不合理，造成電能浪費：UPS 的逆變器好不容易采用各種先進技術，把 300V 直流電 壓逆變成穩(wěn)頻穩(wěn)壓的 220V 交流電壓，但此交流電壓一進入用戶設備，該設備的整流濾波器又立刻進行相反的變換 ─把 220V 交流電壓變換成 300V 的直流電壓。眾所周知，能量從一種形式變換成另一種形式，總會有一部分能量在變換過程中消耗掉，即變換效率恒小于 1，這是自然界的客觀規(guī)律，電能的變換也不例外。在逆變和整流這兩個多余的變換環(huán)節(jié)，電能損耗約 25%。另一方面 是逆變器工藝復雜，設計制造困難，器件要求嚴格。 第一方面 是整機體積大，笨重，成本高。 在一個設計中當然不能容忍有多余的部件。但是，去掉點劃線框內的部件以后，不間斷電 源就沒有了心臟，整流濾波后的直流電壓就直接進入用戶設備。這當然是不行的， 14 于是在整流濾波器之后，接入了電壓補償穩(wěn)壓器，以保證進入用戶設備的是恒定的直流電壓，這就是所謂的 直流 不間斷電源。 直流 UPS只有一個整流濾波環(huán)節(jié)，沒有逆變環(huán)節(jié)，免除了傳統(tǒng) UPS 中的逆變器，提供給計算機用戶設備的是最好的電壓波形 —— 直流。 直流 UPS的突破在于：在成本減小百分九十的前提下，實現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定和不間斷。射頻濾波器用戶電路板直流變換器整流濾波器逆變器整流濾波器蓄 電 池 2 2 0 V A C 2 2 0 V A C 3 0 0 V A C 3 0 0 V A C 2 2 0 V A C普 通 不 間 斷 電 源可 免 除 部 分用 戶 設 備 圖 UPS和用戶設備的連接方框圖 電壓補償穩(wěn)壓器的原理是 (請參考圖 )：在整流濾波后的直流電壓 Ud 上疊加一個較小的、與 Ud 的波動作相反變化的直流電壓 Uc，輸出電壓 Uo=Ud＋ Uc。盡管 Ud 不斷波動，但 Uc 在作與 Ud 相反的變化，完全抵消或補償了 Ud 的波動，因此輸出電壓 Uo 的波形是一條直線。 Uc 的幅值只要比 Ud 的波動范圍略大即可，大約為 Ud 的百分之十左右。 U Uo Uc