不間斷電源

不間斷電源(UPS)是將蓄電池(多為鉛酸免維護蓄電池)與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。它主要用於給單台計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備如電磁閥、壓力變送器等提供穩定、不間斷的電力供應，保證這些設備儀器的不間斷運行，防止計算機數據丟失、電話通信網絡中斷或儀器失去控制。 ^[2] 

不間斷電源廣泛應用於：礦山、航天、工業、通訊、國防、醫院、計算機業務終端、網絡服務器、網絡設備、數據存儲設備、應急照明系統、鐵路、航運、交通、電廠、變電站、核電站、消防安全報警系統、無線通訊系統、程控交換機、移動通訊、太陽能儲存能量轉換設備、控制設備及其緊急保護系統、個人計算機等領域。 ^[3] 

典型的UPS系統框圖如圖1所示，它的基本結構是一套將交流電變為直流電的整流器和充電器，以及把直流電再變為交流電的逆變器，電池在交流電正常供電時貯存能量且維持在一個正常的充電電壓上，一旦市電供電中斷時，蓄電池立即對逆變器供電以保證UPS電源交流輸出電壓。下面幾種簡圖示意了UPS的各種工作情況(以在線式UPS電源為例)。 ^[3] 

（1）市電在UPS所允許的範圍內正常供電時，如圖2所示，粗線描繪了電源能量的流向。 ^[3] 

（2）主電源故障即市電被切斷後，電源將瞬間改由逆變器提供能量如圖3所示。 ^[3] 

（3）當所帶負載過大或電源內逆變器出現故障時，UPS將打開旁路由主電源直接供電，如圖4所示。 ^[3] 

（1）單台UPS電源能夠供給全部負載，連接圖如系統的原理圖，連接方法較簡單。 ^[3] 

（2）總負載功率需要二台或更多台UPS電源供給，如圖5所示，這種連接方式稱作並聯無備份方式。 ^[3] 

（3）二台或二台以上UPS電源其總容比負載總容量要多，但該系統比負載總容量必須多一台UPS電源的容量，任何一台UPS電源故障時，其餘仍能供給全部負載，如圖6所示。這種連接方式稱作並聯有備份方式。 ^[3] 

（4）整個UPS電源系統出現故障後，市電將UPS電源脱開，直接接通負載，且不影響UPS電源系統的維修，這種線路設計如圖7所示。 ^[3] 

當UPS電源系統無故障時，維修開關打開，輸入開關、輸出開關閉合；當UPS電源系統故障時，維修開關閉合，輸入開關、輸出開關打開。這樣，保證了用電負載的正常工作，而又不影響對UPS電源系統故障的在線維修。 ^[3] 

隨着計算機應用系統對電源的要求越來越高UPS日益受到重視，並逐漸發展成為一種具有穩壓、穩頻、濾波、抗電磁和射頻干擾、防電壓衝浪等功能的電力保護系統。尤其是在電網的線路及供電質量不太高、抗干擾的技術落後，同時計算機系統對電源的要求又比較高的情況下，UPS的作用就顯得更加明顯。 ^[4] 

UPS的保護作用首先表現在對市電電源進行穩壓，UPS的輸入電壓範圍比較寬，一般情況是從170V到250V，而輸出電源的質量是相當高的，後備式的UPS輸出電壓在5%~8%，輸出頻率穩定在1Hz；如圖1，在線式UPS輸出電壓穩定在3%以內，輸出頻率穩定在0.5Hz。在市電正常時，UPS電源相當於交流市電穩壓器；同時市電對蓄電池進行充電，此時也相當於充電器。在市電突然掉電的情況下，UPS自動切換到蓄電池供電，使計算機維持正常工作，保護軟硬件不受損害。 ^[4] 

UPS根據新標準IEC（國際電工委員會）按其結構和運行原理分為以下3類： ^[5] 

（1）被動後備式UPS電源

指逆變器並聯連接在市電與負載之間僅簡單地作為備用電源使用。此種UPS電源，在市電正常時，負載完全而且是直接地市電供電，逆變器不做任何電能變換，蓄電池由獨立的充電器供電；當市電不正常時，負載完全由逆變器提供電能。 ^[5] 

被動後備式UPS具有結構簡單、價格最廉等優點，運用於某些非重要的負載使用，如家用計算機等。但市電斷電時，繼電器將逆變器切換至負載，切換時間較長，一般需幾個毫秒的間斷，所以稍微重要的計算機設備不應選用被動後備式UPS電源。 ^[5] 

（2）在線互動式UPS電源

指逆變器並聯連接在市電與負載之間，起後備電源作用，同時逆變器作為充電器給蓄電池充電。通過逆變器的可逆運行方式，與市電相互作用，因此被稱為互動式。此種UPS電源，在市電正常時，負載由經改良後的市電供電，同時逆變器作為充電器給蓄電池充電，此時逆變器起AC/DC變換器的作用；而當市電故障時，負載完全由逆變器供電，此時，逆變器起DC/AC變換器的作用。 ^[5] 

在線互動式UPS具有結構較簡單、實施方便、且易於並聯、便於維護和維修、效率高、運行費用低、整機可靠性高等優點，性能滿足某些負載要求，特別適用於網絡中某些計算機設備採用分佈式供電的系統。此種電源缺點是穩壓性能不高，尤其動態響應速度低，其次抗干擾能力不強，電路會產生諧波干擾和調製干擾。 ^[5] 

（3）雙變換式UPS電源

指逆變器串聯連接在交流輸入與負載之間，電源通過逆變器連續地向負載供電。此種UPS電源其供電方式如下：市電正常時，市電經過整流器、逆變器向負載供電；市電不正常時，由蓄電器經逆變器向負載供電。 ^[5] 

雙變換式UPS是UPS電源的主流產品，具有性能好、電壓穩定度與頻率穩定度高、功能強、具有熱備份連接和並聯冗餘聯結的功能等優點，其不足之處是當容量少於10kVA以下，其整機效率不高，一般在85%左右。 ^[5] 

新型UPS中的逆變器大多采用了PWM技術，同時採用了石英晶體振盪控制逆變器的頻率，通過電壓負反饋電路確保輸出電壓的穩定。它具有開關電源的一系列優點，通過精確調整脈衝寬度，保證功率穩定輸出，同時．開關電源技術的應用，也使其自身損耗大大降低。主要技術指標如下： ^[3] 

（1）額定輸出功率和最大輸出功率； ^[3] 

（2）切換時間； ^[3] 

（3）輸出電壓穩定度，參考值±0.5%~±2%； ^[3] 

（4）輸出頻率穩定度，參考值±0.01%~±0.5%； ^[3] 

（5）輸出波形純正(正弦波輸出)，電壓畸變小於1%，不存在潛波失真的問題； ^[3] 

（6）效率高、損耗低。參考指標高於90%； ^[3] 

（7）無故障工作時間。由於微處理器監控技術和先進的IGBT驅動型SPWM等高技術的採用，目前的UPS已達到了極高的可靠性水平，對於大型UPS電源來講，其單機的年均無故障工作時間(MTBF)已超過20萬小時。如果採用雙總線輸出的多機“冗餘”型UPS供電系統，其MTBF甚至可達1000萬小時數量級。 ^[3] 

（1）UPS採用模塊化在線並機擴容功能。目前多數大功率段的UPS均已經具備冗餘並機功能，UPS內部多模塊冗餘並聯運行、甚至多台UPS組成的系統冗餘運行技術，在並聯運行中，當單一模塊或單機發生故障時，其功能則自動轉由冗餘單元承擔，大大提高了UPS供電系統的可靠性。 ^[1] 

（2）高效率、高可靠性。提高UPS自身能效，優化負載效率曲線，降低輸入電流諧波，提高功率因數。

（3）UPS的數字化、智能化。 ^[1] 

（4） UPS的綠色、節能、環保。節能環保已成為UPS產品技術創新的指導原則。對UPS而言，輸入功率因數的高低表明其吸收電網有功功率的能力及對電網影響的程度。 ^[1] 

因為其逆變器和蓄電池工作的特殊性，UPS電源的安裝和使用須有一套嚴格、科學的操作規程，才能提高工作穩定性，減少設備故障率，真正地做到設備供電不間斷。 ^[6] 

（1）UPS電源的安裝環境應避免陽光直射，並留有足夠的通風空間，保持工作環境的温度不高於25℃。如果工作環境温度超過25℃，每温升增加10℃，電池的壽命就會縮短一半左右。 ^[6] 

（2）不宜在UPS電源的輸出端使用大功率可控硅負載、可控硅橋式整流或半波整流型負載，此類負載易造成逆變器末級驅動晶體管被燒燬。 ^[6] 

（3）嚴格按照正確的開機、關機順序進行操作，避免因負載突然增加或突然減少時，UPS電源的電壓輸出波動大，從而使UPS電源無法正常工作。 ^[6] 

（4）禁止頻繁地關閉和開啓UPS電源，一般要求在關閉UPS電源後，至少等待30秒鐘後才能開啓UPS電源。因為造成中小型UPS電源高發故障的原因是：用户頻繁的開機或關機，UPS電源帶負載進行逆變器供電和旁路供電切換期。 ^[6] 

（5）實踐證明：對於絕大多數UPS電源而言，將其負載控制在50%~60%額定輸出功率範圍內是最佳工作方式。禁止超負載使用，廠家建議：UPS電源的最大啓動負載最好控制在80%之內，如果超載使用，在逆變狀態下，時常會擊穿逆變三極管。不宜過度輕載運行，這種情況容易因為電池放電電流過小造成電池失效。 ^[6] 

（6）定期對UPS電源進行維護工作：觀察工作指示燈狀態、除塵，測量蓄電池電壓，更換不合格電池，檢查風扇運轉情況及檢測調節UPS的系統參數等。 ^[6] 

（7）UPS電源比較適合於帶微電容性負載，不適合於帶電感性負載，如空調、電動機、電鑽、風機等。如果UPS電源負載為電阻性或電感性負載時，必須酌情減小其負載量以免超載運行。 ^[6]