穩(wěn)壓電源和UPS在電網(wǎng)中的應(yīng)用

于忠剛

摘 要：本文從穩(wěn)壓電源和UPS的工作原理、使用場所、配置方案等方面分析了兩類設(shè)備的不同及優(yōu)缺點(diǎn)，為不同使用著選擇更好的電源解決方案提供參考。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源;UPS;工作原理;配置方案

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0143-02

0 引言

當(dāng)今社會，隨著科技水平的不斷發(fā)展，設(shè)備對電源質(zhì)量的要求越來越高。在電網(wǎng)環(huán)境惡劣的地區(qū)及對電源質(zhì)量要求較高的使用場所，為了保障設(shè)備正常運(yùn)行，避免因電網(wǎng)不穩(wěn)定對設(shè)備造成損傷，我們通常會在用電設(shè)備前端增設(shè)穩(wěn)壓電源和UPS，但在上述兩種設(shè)備的使用過程當(dāng)中，常常會出現(xiàn)一些使用誤區(qū)，本文我們就對兩種設(shè)備的工作原理，使用場所，及使用注意事項(xiàng)進(jìn)行講解。

1 工作原理

1.1 穩(wěn)壓電源的工作原理

穩(wěn)壓電源又叫電源穩(wěn)壓器，顧名思義，其主要作用是對電網(wǎng)電壓進(jìn)行優(yōu)化，用以保障用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

我們使用的用電設(shè)備，一般都會有一定的電壓承受范圍，以我們國內(nèi)電壓標(biāo)準(zhǔn)來講220V/380V市電電壓一般設(shè)備允許承受的電壓波動范圍都不會超過±10%，尤其是通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心等精密用電場所，對電源質(zhì)量要求更高。但在電網(wǎng)環(huán)境惡劣的地區(qū)，例如農(nóng)業(yè)電網(wǎng)、有大型用電設(shè)備運(yùn)行的電網(wǎng)、雷雨氣候頻繁的地區(qū)等，電壓波動常常會超出這個范圍，在此情況下我們就需要在用電設(shè)備前端增加電源穩(wěn)壓裝置。

穩(wěn)壓電源除了基本的穩(wěn)定電壓功能之外，還具有過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)、短路過載保護(hù)等其他保護(hù)功能。

其主要工作原理如圖1所示，電源連接用電負(fù)載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和基準(zhǔn)值相等;如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過調(diào)節(jié)器使輸出減小。

常見穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓范圍一般為±20%，穩(wěn)壓精度可至±2%以內(nèi)，以我國工業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)380V為例，可實(shí)現(xiàn)304V至456V電壓波動區(qū)間內(nèi)穩(wěn)壓，將電壓波動保持在372V至388V之間，在惡劣的電網(wǎng)環(huán)境下，通過其優(yōu)異的適應(yīng)能力，可極大的保障后端用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

1.2 UPS的工作原理

UPS即不間斷電源，英文全稱為Uninterruptable Power System，相較于穩(wěn)壓電源來講，UPS的工作原理更加復(fù)雜一些。

UPS種類很多，我們此次主要講解常用的在線式UPS，其主要工作原理如圖2。

圖2中可以看到，在線式UPS主要由整流器、蓄電池、逆變器三部分組成。

正常工況下，市電輸入后通過整流器將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，直流電輸送至逆變器，在此同時(shí)給蓄電池充電，逆變器將輸入的直流電逆變?yōu)榻涣麟娊o負(fù)載供電。在此過程中，輸入的市電一直處于整流→逆變的過程，經(jīng)過處理的電源為潔凈的無任何干擾的正弦波，因此此類UPS稱之為在線式UPS。

當(dāng)市電斷電或超出UPS工作范圍時(shí)，UPS整流器停止工作，轉(zhuǎn)變?yōu)樾铍姵剌敵鲋绷麟姡绷麟娸斔椭聊孀兤骱竽孀優(yōu)榻涣麟娊o負(fù)載供電，同時(shí)報(bào)警提示用戶市電出現(xiàn)異常;當(dāng)市電回復(fù)正常后，會自動跳轉(zhuǎn)為整流器工作。上述整流器與蓄電池之間切換跳轉(zhuǎn)的時(shí)間一般低于4ms，不足1/4周波，實(shí)現(xiàn)了不斷電切換，這也是該設(shè)備不間斷電源名稱的由來。

UPS功能性較穩(wěn)壓電源更加完善，一是我們上文提到的，可以為重要負(fù)載提供不間斷供電，防止突然斷電造成的損害，例如重要數(shù)據(jù)丟失等;二是消除污染，改善電源質(zhì)量，除了穩(wěn)壓電源具有的功能外，UPS還具有穩(wěn)定頻率、消除諧波干擾、改進(jìn)浪涌噪聲等功能，使電源質(zhì)量更加優(yōu)良，使負(fù)載電子部件免受摧毀性損壞。

常見的UPS穩(wěn)壓范圍不如穩(wěn)壓電源，一般為市電電壓的±10%左右，但其穩(wěn)壓精度卻比穩(wěn)壓電源更高，可低于±1%。

UPS對自身工作環(huán)境要求較高，正常情況需要保障UPS電源室環(huán)境為恒溫恒濕，特殊情況還需配置精密空調(diào);蓄電池占用空間較大，且電池使用壽命受電網(wǎng)環(huán)境影響較大。

2 使用場所

通過上文對穩(wěn)壓電源和UPS工作原理的簡單闡述，我們可以基本可以分析出它們適用的不同場所。

2.1 穩(wěn)壓電源的適用場所

穩(wěn)壓電源造價(jià)較底，自身對工作環(huán)境要求不高。主要應(yīng)用于用戶對電源電壓穩(wěn)定性有要求，但對供電不間斷性要求不是很高的場所。電壓不穩(wěn)定的區(qū)域尤其是電網(wǎng)質(zhì)量較差的區(qū)域均可配置穩(wěn)壓電源。例如工礦設(shè)備等，主要保障設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 UPS的適用場所

UPS使用成本較高，自身對工作環(huán)境要求比較高，單獨(dú)使用時(shí)主要應(yīng)用于用戶對電源質(zhì)量要求較高，且要求供電可靠、不允許突然斷電情況發(fā)生的場所，例如通信系統(tǒng)、航空管理、醫(yī)院、證券、工業(yè)控制等。在一些要求更高的場所，一般還考慮使用多臺UPS進(jìn)行備份的方案，最大程度保障供電。

2.3 組合使用

因?yàn)榉€(wěn)壓電源穩(wěn)壓范圍更大，而UPS同時(shí)具有穩(wěn)壓、電源凈化、不間斷等優(yōu)異性能，在電網(wǎng)質(zhì)量較差，但對電源質(zhì)量要求又較高的場所這兩種設(shè)備往往會組合使用，使用原理如圖3。

圖3我們可以看到，穩(wěn)壓電源接入U(xiǎn)PS的市電輸入前端，其主要工作原理及優(yōu)點(diǎn)為：

（1）在電壓波動較大的區(qū)域，穩(wěn)壓電源作為UPS的上一級保護(hù)電源，先行將電壓波動控制在±2%范圍內(nèi)，UPS進(jìn)一步對電源進(jìn)行凈化處理，將穩(wěn)定、潔凈的電源供給用電設(shè)備。避免因電網(wǎng)電壓超出UPS的電壓工作范圍，導(dǎo)致UPS頻繁跳轉(zhuǎn)為蓄電池供電，減少蓄電池充放電次數(shù)，增加其使用壽命。

（2）當(dāng)穩(wěn)壓電源出現(xiàn)故障時(shí)，其自身停止工作并跳至旁路運(yùn)行，此時(shí)UPS擔(dān)當(dāng)穩(wěn)壓、凈化的功能，如果在此期間電網(wǎng)電壓波動超出了UPS工作電壓范圍，會轉(zhuǎn)為蓄電池供電，當(dāng)電壓穩(wěn)定后自動轉(zhuǎn)為UPS在線供電。

（3）當(dāng)電網(wǎng)電壓超出穩(wěn)壓電源工作范圍的時(shí)候，穩(wěn)壓電源自身停止工作跳至旁路運(yùn)行，此時(shí)UPS因超出工作電壓范圍，同時(shí)會轉(zhuǎn)為蓄電池供電，當(dāng)電壓穩(wěn)定后自動轉(zhuǎn)為UPS在線供電。

上述方案重復(fù)發(fā)揮了穩(wěn)壓電源和UPS的各自的功能優(yōu)勢，是目前使用范圍最廣的電源解決方案。

3 使用誤區(qū)

在電源解決方案的選擇上常常會出現(xiàn)一些誤區(qū)。在南海某項(xiàng)目實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)了使用單位采用了其他的配置方案如圖4。

從圖4中可以看到，該使用單位將穩(wěn)壓電源接入了UPS的旁路，我們可以分析一下該配套設(shè)施的使用工況情況：

（1）當(dāng)市電斷電或電源超出UPS工作范圍的情況下，UPS轉(zhuǎn)為蓄電池供電，市電恢復(fù)后UPS持續(xù)工作。

（2）蓄電池放電完畢后，UPS跳轉(zhuǎn)為旁路工作，因旁路接入了穩(wěn)壓電源，由穩(wěn)壓電源對電源質(zhì)量進(jìn)行處理。

通過分析工況我們可以看到，因?yàn)閁PS前端缺少穩(wěn)壓電源的保護(hù)，很可能由于市電電源質(zhì)量差導(dǎo)致UPS頻繁跳轉(zhuǎn)為蓄電池供電。一方面大大縮減了蓄電池的使用壽命，同時(shí)會導(dǎo)致蓄電池放電結(jié)束轉(zhuǎn)為旁路供電，雖然接入旁路的穩(wěn)壓電源可以對市電電壓進(jìn)行處理，但處理后的電源質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)劣于UPS處理性能，對后段負(fù)載設(shè)備的使用存在一定的隱患。

后來在我們的建議下，使用單位更改了配置方案，將穩(wěn)壓電源接入U(xiǎn)PS輸入前端。

4 結(jié)語

隨著科技的不斷進(jìn)步，電源解決方案也在不停的變化。比如現(xiàn)在歐美地區(qū)，因其電網(wǎng)質(zhì)量優(yōu)良，為了節(jié)約能耗不建議使用在線式UPS而改為后備式，主要使用UPS的不間斷功能，而不再使用其在線電源凈化的功能。我們也在不斷優(yōu)化電網(wǎng)質(zhì)量的同時(shí)，選擇更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保、更可靠的、更適用的電源解決方案。

參考文獻(xiàn)

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