UPS的分類及運行方式探討
2017-02-13
一、 引言
隨著科學技術的進步，計算機網絡、通信業的快速發展，使用者對電源供應系統的要求越來越高。而公共電力系統中存在許多不穩定因素，如電壓幅值、頻率不穩定、浪涌、尖峰信號、線路噪音，這些不穩定因素有時會影響負載的正常工作甚至損壞負載，這些情況下，采用適合現場使用工況的UPS，都能發揮很好的作用。但在選用UPS系統供電時，不但要滿足實用、可靠，還要考慮各種結構UPS的局限性和不足之處。
Uninterruptable Power System，意為不間斷電源，顧名思義，*是當停電時能夠接替市電持續供應電力的設備。
二、UPS技術指標
隨著UPS產品的技術不斷發展與完善，現在UPS產品已日趨成熟。現代UPS可以達到的優越技術指標，使得在市電的任何惡劣條件下，都能保證用電設備對電源質量的要求。這些技術要求主要包括：
(1)市電寬幅的電壓波動對其影響;
(2)市電電壓波形失真對其影響;
(3)市電的三相不平衡對其影響;
(4)UPS輸出電壓穩定精度;
(5)UPS輸出電壓波形失真度;
(6)UPS輸出頻率穩定度;
(7)UPS輸出電壓平衡度;
(8)UPS輸入功率因素;
(9)UPS電流輸入諧波成分;
(10)UPS在市電掉電后切換時間;
(11)UPS整機運行效率;
(12)UPS輸出的過載能力;
(13)UPS輸出電流的THD系數;
(14)市電掉電后的UPS維持工作時間;
(15)UPS是否具有網絡管理、網絡通訊以及基于該基礎上的信息通信;
三、UPS電源的分類
UPS電源從運作方式上可分為動態式和靜態式兩種。動態式UPS由整流器、電池、直流電動機、柴(汽)油機、飛輪和發電機組構成，是UPS的較早形式，具有穩定可靠，維護技術比較簡單的優點。但設備龐大笨重，效率低，噪聲大，目前已應用不多。通常人們所指的UPS大都指靜態式UPS，靜態式UPS采用了大功率逆變技術和強電流電子開關，實現大功率的電能轉換，更能適應于當今IT行業、自動化控制和精密儀器等的普遍應用。
靜態UPS可以以內部結構、輸出波形、容量、后備時間來分類，其中按照內部結構分為后備式、雙逆變在線式及在線互動式。以內部結構分類是現行*被接受的，并以此來判定不同**的UPS的優劣，本文主要以該種方式來描述。
1.后備式
當市電正常供電時，直接供應給負載使用，同時有一回路經充電回路對電池組充電。若市電的電壓不穩定或市電發生異常.則由UPS的變流器提供穩定的電力給負載使用。多數此類產品的輸出波形皆為方波或階梯波。
后備式結構其內部電路設計上相當簡單，而且在實際上運作的過程中，交流輸入電源直接輸出至電源輸出端，幾乎沒有電力損耗，輸出效率可達98%以上。但在執行一般性的電源輸出入動作時，當外部所提供的輸入電源品質不佳(電壓不穩、頻率變動、雜波、扭曲等因素)，在輸出端也會以同樣狀態來輸出電源。所以往往在交流旁路上配置了交流穩壓電路和濾波電路加以改善，提高了UPS雙向抗*功能。其主要特點是：當UPS發現外部發生停電情形，切換至內部電池輸出電力的所需時間一般為4ms——10ms，對一般的計算機設備的工作不會造成影響。由于輸出有轉換開關，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS工作時輸出波形大都為方波，供電質量相對較差。UPS輸出功率做大有一定困難，只適用于要求不高的場合，并且功率一般都較小，多在2kVA以下。但后備式UPS產品有著價格優勢，比較便宜。
2.雙逆變在線式
在線式UPS電源一般采用雙變換模式。即使在電網電壓正常供電時，UPS的輸出，也是將外來電壓經過本身的加工轉換后再供給負載，也*是說，當市電正常供電時.市電經濾波回路及突波吸收回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經由充電回路對電池組充電，另一個則是經整流回路，作為變流器的輸入，再經過變流器的轉換提供凈化過的交流電力給負載使用;此時若市電發生異常.變流器的輸入則改由電池組來供應，變流器持續提供電力，達到完全不斷電。
由此可知，不論市電電力質量如何，其輸出均是穩定且純凈的正弦波電源。雙逆變在線式UPS電源的供電質量明顯優于后備式UPS電源，因為它從根本上**了來自電網的電壓波動和*對負載的影響，真正實現了對負載的無*、穩壓、穩頻以及零轉換時間。雙逆變在線式UPS的這種特點。使它比較適合于用外加電池或加裝優質發電機的方法，改裝成長時間不間斷供電系統，所以它多被用在供電質量要求很高的場所。但是無論市電有無，全部負載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對負載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(一般只達到3：1)，過載能力、輸出功率因數(一般為0.8)、輸出有功功率小于標定的功率數，應付沖擊性負載的能力等;同時整流器多為整流電路，對電網形成電流諧波*，輸入功率因數低，經濾波后，*小的諧波電流成分在10%左右，而輸入功率因數只有O.8左右，如果在整流器中使用功率因數校正技術，則可把輸入功率因數提高到接近1，輸入電流諧波成分也會大幅度降低;還有在市電存在時，由于兩個逆變器都承擔****的負載功率，所以整機效率低，10kVA以下的UPS為80%左右，50kVA的可達85%～90%，l00kVA以上的可達90%～92%。
3.在線互動式
介于后備式和在線式工作方式之間的UPS設備，當市電電源在約l50V～264V的范圍內，它向用戶提供經鐵磁諧振穩壓器或經變壓器抽頭調壓處理的一般市電電源對于這種UPS來說，僅僅當市電電源電壓低于150V或高于264V左右時，它才有可能向用戶提供真正的“UPS逆變器高質量的正弦波”電源。
在線互動式集中了后備式UPS效率較高和在線式UPS供電質量高的優點。其原理與后備式不斷電系統相去不遠，主要不同在于此類產品將充電回路與變流器整合為雙向轉換回路，采用了鐵磁諧波變壓器，可自動監測輸入電壓是否符合于正常范圍內，如有偏差可由穩壓電路升壓或降壓，提供較穩定之輸出電壓因此在線互動式UPS也有轉換時間，比后備式UPS短。同后備式UPS相比，在線互動UPS的保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，逆變器與輸出直接接在一起，沒有轉換開關的限制，所以輸出功率可提高到5kVA～10kVA，而其*大的優點是具有較強的軟件功能。考慮到與充電逆變器共用一個模塊，在給電池充電時，由逆變器產生的高頻成分很難濾掉，充電效果不是非常令人滿意，故不適合作長延時的UPS。在線互動式UPS價格遠遠低于在線式UPS，只比后備式UPS價格稍高，也是一種適合小型辦公或家庭使用的UPS，為了進一步改善在線互動式的功能，可在輸入開關和智能調壓之間串接一個電感，串聯電感對逆變輸出反饋到電網的電流有很強的抑制作用。避免了輸入開關未斷開時短路逆變器輸出的危險，當市電掉電時，逆變器可立即向負載供電，也可以使在線互動式的轉換時間減小到零，使其完全具備雙逆變在線式的轉換功能，同時還增加了整個UPS的抗*能力。但是，這樣做卻帶來了降低UPS輸入功率的不良后果。
4.雙逆變電壓補償在線式
雙逆變電壓補償技術也稱為Delta技術，是目前國際上*領先的技術。它成功地將交流穩壓技術中的電壓補償原理運用到UPS的主電路中，當市電存在時，兩組逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償，逆變器承擔的*大功率僅為輸出功率的20%。這***了UPS的輸出能力和過載能力，不再對負載電流波峰系數予以限制，可從容地對付沖擊性負載，輸出有功功率可以等于標定的功率值。總而言之，Delta技術的運用，不僅彌補了原來在線式的不足，還使得許多主要指標有了新的突破。
逆變電壓補償在線式同樣是雙逆變電路結構和在線工作，當市電存在時。整流器和變流器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償，逆變器負擔的*大功率(當輸入電壓處于上限和下限時)僅為輸出功率的20%(相當于輸入電壓變化范圍)，所以功率強度很小(1/5)，功率余量大，這*大大**了UPS的輸出能力，提高了整機效率(很大的功率范圍內都可達到96%)，乃至元器件、整機的壽命和可靠性;與雙逆變在線式相比，過載能力**(200%，lmin)。整流器同時完成了對輸入端的功率因數校正功能，使輸入功率因數等于l，輸入諧波電流降到3%以下。
四、UPS運行方式
UPS有四種操作運行模式：正常操作模式、停電模式(電池供電)、備用電源模式和維護旁路模式。
1、 正常操作模式：在正常交流電源供應下，整流器將交流電轉換為直流電源后，供電給逆變器并同時對電池充電。在將交流電整流為直流電時，整流器能將市電中所產生的異常波形、噪聲及頻率不穩定等問題**，使逆變器提供更穩定的電源給負載。
2、 停電模式：當交流電源發生異常或整流器、電抗器故障時，電池組提供電能給逆變器，使交流輸出不會有中斷現象，進而達到保護輸出負載的作用。
3、 備用電源模式：當逆變器發生異常狀況如逆變器保險絲熔斷、元件溫度過高、短路等故障時，逆變器會自動切斷以防止損壞，若此時旁路交流電源正常時，靜態開關會將電源供應轉為由旁路備用電源輸出給負載使用。
4、 維護旁路模式：當UPS要進行維修或更換電池而且負載供電又不能中斷時，可以先切斷逆變器開關然后**旁路開關，再將整流器和備用電源開關切斷。在手動維護旁路轉換的過程中，交流電源經由維護旁路開關繼續供應電源給負載，此時，維護人員可以**地對UPS進行維護。
在UPS的使用過程中尤其不能忽視的是維護檢修工作，再好的設備也有壽命，也會出現各種故障，不能因為其高智能、免維護或者是進口設備而忽略了本應進行的維護工作，預防在任何時候都是**運行的重要保障。
五、結束語
不間斷電源UPS及以它為核心的供電系統被設置在市電電網與負載設備之間，目的是改善對負載的供電質量，在市電故障時，保證負載設備的正常運行，升通過智能管理、智能監控和網絡通信實現對整體電力基礎設施的保護，成為一個有強大管理功能的信息技術設備，已經完全融于企業信息系統，并成為其中不可缺少的一部分。