UPS選用解析

陳峰

摘要：UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以整流逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。不間斷電源經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，已有了很大的發(fā)展。從UPS發(fā)展史及原理發(fā)展趨勢簡述選型。

關(guān)鍵詞：不間斷電源

一 UPS基本原理

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源，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。主要用于給單臺計算機、計算機網(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)。當(dāng)市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負(fù)載使用，此時的UPS就是一臺交流市電穩(wěn)壓器，同時它還向機內(nèi)電池充電；當(dāng)市電中斷（事故停電）或超限（電壓頻率超出一定范圍時），UPS 立即將機內(nèi)電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

目前，不間斷電源經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，已有了很大的發(fā)展。大功率、高性能元器件的問世，以及針對計算機等信息技術(shù)設(shè)備對電源質(zhì)量的要求，各類不間斷電源的技術(shù)性能指標(biāo)不斷提高，功能越來越齊全。

二 不間斷電源的分類及選用

從其發(fā)展歷史來說，UPS經(jīng)歷了兩個階段：動態(tài)式UPS和靜態(tài)變換式UPS。

隨著電腦網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療器械和精密儀器的不斷涌現(xiàn)和大量應(yīng)用，動態(tài)式UPS已難以滿足要求。因此隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，另一種形式的UPS---靜態(tài)變換式UPS便應(yīng)運而生了，這是我們目前最常見到的UPS類型。

從技術(shù)上講，靜態(tài)式UPS分為三類：離線式（又稱后備式OFF LINE）、在線式（ON LINE）和在線互動式（LINE - INTERACTIVE）。

一、在線式和后備式

從工作原理上分UPS可分為后備式（OFF LINE）和在線式（ON LINE）兩種。從備用時間上則可分為標(biāo)準(zhǔn)型和長效型兩種。

后備式和在線式UPS的原理框圖分別見圖1-a、b所示

從原理上看，在線式UPS同后備式UPS的主要區(qū)別在于，后備式UPS在有市電或市電在一定范圍內(nèi)時僅對市電進(jìn)行簡單濾波，逆變器不工作，處于等待狀態(tài)，當(dāng)市電異常時，后備式UPS會迅速切換到逆變狀態(tài)，將電池電能逆變成為交流電對負(fù)載繼續(xù)供電，因此后備式UPS在由市電轉(zhuǎn)逆工作時會有一段轉(zhuǎn)換時間，一般小于7ms，后備UPS功率比較小，一般3KVA以下，價格也比較低廉，應(yīng)用在市電電壓頻率比較穩(wěn)定，功率在3KVA以下負(fù)載太重要場合，隨著科技發(fā)展后備機逐漸被淘汰，但現(xiàn)在市面EPS消防應(yīng)急電源就是后備機基礎(chǔ)上發(fā)展起來新應(yīng)用，雖然不叫后備式UPS，但原理大體一致，并且?guī)лd功率段較寬，從幾百VA到幾千VA，而且可以帶電機日光燈等非線性負(fù)載。

在線式UPS開機后逆變器始終處于工作狀態(tài)，因此在市電異常轉(zhuǎn)電池放電時沒有中斷時間，即0中斷?，F(xiàn)在在線式雙變換UPS已經(jīng)發(fā)展比較成熟，市面比較常見，功率段覆蓋比較廣，市面上從1KVA到幾百KVA 都可以見到，現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的機型。

二、在線互動式

UPS除了以上兩種類型外，還有一種稱為在線互動式（Line-Interactive）。

其原理框圖如圖1-c所示：

這種在線互動式設(shè)計當(dāng)交流輸入電源正常時，逆變器反相工作給電池充電，停電時轉(zhuǎn)換開關(guān)斷開，電池提供輸出。同后備式UPS相比，由于該UPS的逆變器和輸出總是處于連通狀態(tài)，因而它能對電源起到濾波及削波作用。逆變器還是有穩(wěn)壓、調(diào)壓作用，否則電壓過低或過高會強迫UPS切換到電池供電方式，因而這種UPS在電源質(zhì)量很差的地方照樣能正常運行。逆變器的設(shè)計使得即使它發(fā)生故障，仍然能由交流輸入電源直接提供輸出，消除了“一處失靈，全局崩潰”的隱患，有效地提供了兩個獨立的電源通道。應(yīng)該說在線互動式UPS效率很高，同時它具有很優(yōu)越的電源保護(hù)功能。它是在后備機基礎(chǔ)上發(fā)展完善起來的，市面常見功率段一般1KVA到5KVA，可以應(yīng)用到負(fù)載功率5KVA以下市電電壓不穩(wěn)定場合。

在線交互式UPS性能總體上介于后備式與在線式之間，同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護(hù)功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波。價格介于后備機和在線機之間，但隨著科技發(fā)展和后備機一樣逐漸被雙變換在線機取代。

三、標(biāo)準(zhǔn)型和長效型

除了以上常見三類，根據(jù)后備時間，UPS還可分為標(biāo)準(zhǔn)機和長效機。標(biāo)準(zhǔn)機用內(nèi)置電池，后備供電時間較短，一般在5-15分鐘。一般應(yīng)用有后備發(fā)電機及有雙路或多路電源場合，長效機則可根據(jù)用戶需要，增大電池容量配置，延長后備時間。但這要求更大的充電器來滿足電池充電電流和充電時間性的需要，因此廠商在設(shè)計時會放大充電器容量或加裝并聯(lián)的充電器。長效機后備時間可以根據(jù)用戶需要，從幾分鐘延時到幾十個小時，可以應(yīng)用到?jīng)]有后備發(fā)電機，長時間停電場合。

總的來說，不間斷電源分類一般采用如下五種方法：

1、按工作原理分：

動態(tài)式：帶有直-交流發(fā)電機的所謂動態(tài)發(fā)電機組的不間斷電源；

靜態(tài)式：分為離線式（OFF LINE）、在線式（ON LINE）（在線式包含有三端口式，傳統(tǒng)雙變換式及Delta變換型三種形式）、在線互動式（ON LINE INTERACTIVE）。重要精密負(fù)載要選用在線式，次之選用在線互動式及后備式UPS。

2、按輸入輸出方式分：

（1）單相輸入/單相輸出（2）三相輸入/單相輸出 （3）三相輸入/三相輸出，選型時應(yīng)注意，20KV以下宜選用三進(jìn)單出機型，20KVA以上的UPS不宜選用三進(jìn)單出型UPS，而宜選用三進(jìn)三出機型。

3、按容量分：

（1） 小功率 5KVA以下（2）中功率 5KVA～30KVA

（3）大功率 30KVA以上。集中供電可以選用大功率UPS，而分散供電宜選用小功率中功率UPS。

4、按工作頻率分：

工頻機和高頻機，一般功率幾十KVA以下小功率中功率UPS可選用高頻機，而幾十KVA以上大功率特大功率宜選用傳統(tǒng)成熟的工頻機。

5、根據(jù)后備時間：標(biāo)準(zhǔn)機、長效機。停電時間短或備有后備發(fā)電機場合，可選用標(biāo)準(zhǔn)機，市電供電停電時間較長，需要UPS長時間供電地方可選用長效機。

三 從不間斷電源的技術(shù)發(fā)展趨勢和方向考慮選型

1、UPS控制技術(shù)數(shù)字化發(fā)展趨勢

模擬控制→單片機控制→DSP控制→數(shù)字PID控制→全數(shù)字矢量控。根據(jù)UPS控制技術(shù)發(fā)展趨勢盡可能選用數(shù)字化技術(shù)新型控制的機型。

2、UPS冗余技術(shù)發(fā)展趨勢

交替串聯(lián)熱備份技術(shù)→單機/并機軟件硬件兼容技術(shù)→分散式直接并聯(lián)技術(shù)→數(shù)字并聯(lián)技術(shù) →模塊化UPS技術(shù)。選用并聯(lián)機型時盡可能選用數(shù)字模塊化并聯(lián)技術(shù)機型。

3、高頻開關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢

UPS整流由原來晶閘管發(fā)展為絕緣柵雙極晶體管（IGBT）整流；由原來工頻整流技術(shù)逐漸向高頻整流技術(shù)發(fā)展；逆變技術(shù)由簡單高頻逆變轉(zhuǎn)化數(shù)字化高頻逆變技術(shù)。從高頻技術(shù)發(fā)展趨勢來看，宜選用數(shù)字化高頻機。

4、UPS向綠色電源技術(shù)趨勢發(fā)展

隨著功率因數(shù)校正技術(shù)，12脈沖整流技術(shù)，隔離變壓器技術(shù)，電磁兼容技術(shù)在UPS中應(yīng)用，UPS向綠色節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展，UPS選型時要考慮選用輸入功率因數(shù)較高綠色UPS電源。

參考文獻(xiàn)：

[1]《新型 UPS 不間斷電源原理與維修技術(shù)》李成章