【文章內(nèi)容簡介】 來 UPS 技術(shù)走過了快速發(fā)展的歷程 ,按技術(shù)可以分為以下三種類型。 1. 后備式 (Standbyoroff line) 后備式 UPS的本質(zhì)特點(diǎn)是具有離線的逆變器 ,并且由于逆變器平時(shí)為冷備狀態(tài) ,因此 9 存在較長的電池切換時(shí)間。市電輸入良好的 ,UPS 將市電直接導(dǎo)通到負(fù)載側(cè) (沒有在線調(diào)壓裝置 )。只有當(dāng)市電輸入失敗或供電質(zhì)量超出 UPS 正常輸入范圍時(shí) ,才啟動(dòng)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(zhì)量差 ,且切換時(shí)間較長 ,長延時(shí)應(yīng) 用能力較差 ,因此綜合的可用性較差 ,只適用于單臺(tái) PC等非重要場合的一般性電源保護(hù)。但其結(jié)構(gòu)簡單 ,體積小噪音低 ,故普遍具有較高的工作效率 ,以及較經(jīng)濟(jì)的價(jià)格。 圖 是后備式 UPS 的原理圖。 輸 入 輸 出濾 波充 電 器轉(zhuǎn) 換 開 關(guān)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(dāng) UPS 在線工作時(shí) ,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(shí) ,可快速投入逆變工作 ,因此可以提供更快的切換時(shí)間 ,確保負(fù)載在切換時(shí)不受到任何影響。同時(shí)提供相當(dāng)程度的電壓調(diào)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(duì)負(fù)載起到更好的保護(hù)作用。 (2)高級(jí)交互在線式 (Line Interactive Plus) 高級(jí)交互在線式 除具有一般交互在線 UPS 性能外 ,又進(jìn)一步拓寬了輸入電壓的波動(dòng)范圍 ,縮小了輸出電壓的波動(dòng)范圍 (較在線式 UPS 稍寬 ) ,使之具有很高的可用性。同時(shí)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(bào)警。因此 ,高級(jí)交互式 UPS 在充分考慮到 UPS 的可用性基礎(chǔ)上 ,保持簡化的結(jié)構(gòu) ,提供高效率及整機(jī)的高可靠性。交互在線技術(shù)在 1～ 3 kVA 容量范圍內(nèi)應(yīng)用效果比較理想 ,對(duì)于大多數(shù)分布較分散的小型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通訊設(shè)備而言 ,交互在線 UPS以其獨(dú)特的綜合性能優(yōu)勢 ,得到廣泛應(yīng)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(duì)頻率干擾的適應(yīng)性較差 ,因些對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的適應(yīng)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(zhuǎn) 換 開 關(guān)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(zhì)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(shí)間。在線 UPS 的結(jié)構(gòu)決定了其與市電輸入的無關(guān)性。因此對(duì)輸入電的適應(yīng)能力更強(qiáng) ,尤其表現(xiàn)在對(duì)頻率變化的適應(yīng)能力。輸出則提供非常精準(zhǔn)的電壓穩(wěn)定度 ,頻率穩(wěn)定度 ,同時(shí)整機(jī)在噪聲抑制 ,浪涌保護(hù)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(yán)格的場合 ,或柴油機(jī)供電、電網(wǎng)惡劣、頻率及電壓波動(dòng) 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(shù)上的可實(shí)現(xiàn)性 ,在線 UPS可提供 1～ 300 kVA 的各容量段的不 同應(yīng)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(dòng)旁路、手動(dòng)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(yīng)用。因此 ,在應(yīng)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(duì)優(yōu)勢。對(duì)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(hù)、可靠性、冗余措施等諸多方面的設(shè)計(jì)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(yīng)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(zhuǎn) 換 開 關(guān)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(jì)算機(jī)的重要外設(shè)，在保護(hù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、保證電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定，改進(jìn)電網(wǎng)質(zhì)量，防止瞬時(shí)停電和事故停電對(duì)用戶造成的危害等是非常重要的。 一個(gè)理想的交流電源，應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件： 1. 頻率穩(wěn)定 ； 2. 電壓穩(wěn)定 (土 5%內(nèi) )； 3. 不含諧 波失真 (5%)； 4. 沒有噪聲干擾 (符合 IEEE 587,FCC,CE 等標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)市電發(fā)生異常，將造成計(jì)算機(jī)死機(jī)，甚至造成硬件故障，到時(shí)維修費(fèi)將不可預(yù)期；硬件的故障可花錢消災(zāi)，但是存在硬盤中的資料呢？那可是有錢也買不到，所以為 設(shè)備 添加 不斷電 源 系統(tǒng)，就如同買保險(xiǎn)一樣，有備無患； UPS 系統(tǒng)并不是只有當(dāng)停電時(shí)才有動(dòng)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(shè)備正常運(yùn)作的電源品質(zhì)，因此 UPS 的重要性可見一 斑。 直流 UPS相對(duì)與交流 UPS 的功能特點(diǎn) 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(shè)備和對(duì)電池進(jìn)行充電。過程如下： 當(dāng)市電正常輸入時(shí)， UPS 就將市電 整流 穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量儲(chǔ)存在電池中 ； 當(dāng)市電中斷（事故停電）或輸入故障時(shí)， UPS 立即將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為 負(fù)載需要的 直流電 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 ，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失 。 直流 UPS 的分類 直流 UPS 家族有各種不同的電路拓?fù)?，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(bǔ)償穩(wěn)壓器取代傳統(tǒng) UPS 中的逆變器，用以補(bǔ)償整流濾波后的脈動(dòng)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?fù)渲?，去掉其中的兩個(gè)電壓補(bǔ)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(jīng)過邏輯電路限定以后，直接輸出到用戶設(shè)備，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。整機(jī)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(dāng)市電正 常時(shí)，市電經(jīng)過邏輯電路限定以后，直接進(jìn)入用戶設(shè)備，同時(shí)，對(duì)蓄電 池 進(jìn)行充電。當(dāng)市電中斷時(shí)，蓄電池的直流電壓直接進(jìn)入用戶設(shè)備。除靜態(tài)開關(guān)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(shí)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?yàn)楫?dāng)時(shí)的用戶設(shè)備全都是一些馬達(dá)和變壓器。為了達(dá)到這一目的，就必須進(jìn)行逆變，這就產(chǎn)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(yù)計(jì)到科學(xué)發(fā)達(dá)的今天，計(jì)算機(jī)會(huì)如此大行其道，也沒有預(yù)計(jì)到開關(guān)電源的應(yīng)用會(huì)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(guān)穩(wěn)壓電源，不再一定需要交流供電。面對(duì)用戶特征的這種改變， UPS 理應(yīng)作出快速反應(yīng)，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(yùn)行成本高。開關(guān)穩(wěn)壓電源雖然效率高，體積小，運(yùn)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(gè)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(chǎn)生和發(fā)展。 3. 技術(shù)上的原因 開關(guān)穩(wěn)壓電源最近十幾年才廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和通訊，一般輸出功率相對(duì)較小，要制造一個(gè)功率稍大一點(diǎn) (例如 50kW)的開關(guān)穩(wěn)壓電源，就當(dāng)時(shí)的器件和工藝水平而言，幾乎是不可能的。因此，開關(guān)電源用于對(duì)大型 UPS 的 輸出進(jìn)行直流穩(wěn)壓，實(shí)現(xiàn)的難度較大，還不如繼續(xù)改進(jìn)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(gè)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(jīng)過第一個(gè)環(huán)節(jié)已經(jīng)得到了直流，為什么還要多此一舉，再來一個(gè)逆變環(huán)節(jié)呢？要知道，這個(gè)逆變環(huán)節(jié)占整機(jī)成本、體積、重量、功耗的 90%以上，而設(shè)計(jì)制造的難點(diǎn)也都集中在這里。實(shí)際上，第二個(gè)環(huán)節(jié)把直流變成交流，完全是吃力不討好 [9]，因?yàn)橛?jì)算機(jī)用戶設(shè)備真正需要的并不是交流，交流電壓一旦進(jìn)入 計(jì)算機(jī)用戶設(shè)備，立刻就要進(jìn)行相反的變換，把交流電壓整流濾波成直流電壓。 直流 UPS 實(shí)現(xiàn)直流供電的方法 傳統(tǒng) UPS 中有個(gè)體積最大、造價(jià)最高、工藝最復(fù)雜、器件要求最嚴(yán)格、設(shè)計(jì)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(shí)，是市電整流濾波后的直流電壓；在市電中斷時(shí)，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(shè)備。無論市電正?；蛑袛?， UPS 的逆變器總是一直啟動(dòng)運(yùn)行。不間斷電源之所以不間斷，實(shí)際上是逆變器的不間斷。按照常理，動(dòng)物是不能沒有心臟的 ，因此，沒有逆變器理所當(dāng)然就不能成其為不間斷電源。 UPS 和用戶設(shè)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(shè)備，包括整流濾波器、直流變換器和設(shè)備電路板。中間的點(diǎn)畫線框包括 UPS 的逆變器和用戶設(shè)備的整流濾波器。輸入到此點(diǎn)劃線框左邊的是 300V 直流電壓，從此點(diǎn)劃線框右邊輸出的還是 300V 直流電壓，這 就意味著該點(diǎn)劃線框內(nèi)的部件是多余的，應(yīng)該去掉。一 方面 是設(shè)計(jì)不合理，造成電能浪費(fèi)：UPS 的逆變器好不容易采用各種先進(jìn)技術(shù)，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(jìn)入用戶設(shè)備，該設(shè)備的整流濾波器又立刻進(jìn)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(huì)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(gè)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(fù)雜，設(shè)計(jì)制造困難，器件要求嚴(yán)格。 第一方面 是整機(jī)體積大，笨重，成本高。 在一個(gè)設(shè)計(jì)中當(dāng)然不能容忍有多余的部件。但是，去掉點(diǎn)劃線框內(nèi)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(jìn)入用戶設(shè)備。這當(dāng)然是不行的， 14 于是在整流濾波器之后，接入了電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器，以保證進(jìn)入用戶設(shè)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(gè)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(jì)算機(jī)用戶設(shè)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(shí)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(shè) 備 圖 UPS和用戶設(shè)備的連接方框圖 電壓補(bǔ)償穩(wěn)壓器的原理是 (請(qǐng)參考圖 )：在整流濾波后的直流電壓 Ud 上疊加一個(gè)較小的、與 Ud 的波動(dòng)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(dòng)，但 Uc 在作與 Ud 相反的變化，完全抵消或補(bǔ)償了 Ud 的波動(dòng)，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(dòng)范圍略大即可，大約為 Ud 的百分之十左右。 U Uo Uc