基本介紹
- 中文名：不間斷電源
- 外文名：Uninterrupted Power Supply
- 簡稱：UPS
- 套用：通信，電力，金融，石油，軍事等
- 分類：雙變換式、線上互動式、被動後備式
- 作用：提供穩定、不間斷的電力供應
簡介,工作原理,系統組成,工作過程,功能作用,分類,技術指標,發展特點,注意事項,
簡介
UPS，即不間斷電源，是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要元件、穩壓穩頻輸出的電源保護設備。主要用於單台計算機、計算機網路系統或其他電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS將市電穩壓後供應給負載使用，此時的UPS就是一台交流市電穩壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷時，UPS立即將機內電池的電能，通過逆變器轉換為220V交流電，以使負載維持正常工作，並保護負載軟硬體不受損壞。
不間斷電源廣泛套用於：礦山、航天、工業、通訊、國防、醫院、計算機業務終端、網路伺服器、網路設備、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。
工作原理
系統組成
UPS電源系統由五部分組成：主路、旁路、電池等電源輸入電路，進行AC/DC變換的整流器（REC），進行DC/AC變換的逆變器（INV），逆變和旁路輸出切換電路以及蓄能電池。
UPS系統的穩壓功能通常是由整流器完成的，整流器件採用可控矽或高頻開關整流器，本身具有可根據外電的變化控制輸出幅度的功能，從而當外電發生變化時（該變化應滿足系統要求），輸出幅度基本不變的整流電壓。淨化功能由儲能電池來完成，由於整流器對瞬時脈衝干擾不能消除，整流後的電壓仍存在干擾脈衝。儲能電池除可存儲直流直能的功能外，對整流器來說就像接了一隻大容器電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。由於電容兩端的電壓是不能突變的，即利用了電容器對脈衝的平滑特性消除了脈衝干擾，起到了淨化功能，也稱對干擾的禁止。頻率的穩定則由變換器來完成，頻率穩定度取決於變換器的振盪頻率的穩定程度。為方便UPS電源系統的日常操作與維護，設計了系統工作開關，主機自檢故障後的自動旁路開關，檢修旁路開關等開關控制。
1-1
1-1在電網電壓工作正常時，給負載供電如圖1-1所示，而且，同時給儲能電池充電；當突發停電時，UPS電源開始工作，由儲能電池供給負載所需電源，維持正常的生產（如粗黑→所示）；當由於生產需要，負載嚴重過載時，由電網電壓經整流直接給負載供電（如虛線所示）。
工作過程
當市電正常為380/220VAC時，直流主迴路有直流電壓，供給DC-AC交流逆變器，輸出穩定的220V或380V交流電壓，同時市電經整流後對電池充電。
不間斷電源工作原理框圖1-2
不間斷電源工作原理框圖1-2當任何時候市電欠壓或突然掉電，則由電池組通過隔離二極體開關向直流迴路饋送電能。從電網供電到電池供電沒有切換時間。
當電池能量即將耗盡時，不間斷電源發出聲光報警，並在電池放電下限點停止逆變器工作，長鳴告警。
不間斷電源還有過載保護功能，當發生超載（150%負載）時，跳到旁路狀態，並在負載正常時自動返回。當發生嚴重超載（超過200%額定負載）時，不間斷電源立即停止逆變器輸出並跳到旁路狀態，此時前面輸入空氣開關也可能跳閘。消除故障後，只要合上開關，重新開機即開始恢復工作。
功能作用
隨著計算機套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。UPS是針對電網環境和網路監控及網路系統、醫療系統等對電源的可靠性要求，克服中、大型計算機網路系統集中供電所造成的供電電網環境日益惡劣的問題。
圖1 線上式UPS原理示意圖
圖1 線上式UPS原理示意圖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，線上式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，保護軟硬體不受損害。
分類
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：
（1）被動後備式UPS電源
指逆變器並聯連線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。
不間斷電源
不間斷電源被動後備式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。
（2）線上互動式UPS電源
指逆變器並聯連線在市電與負載之間，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。
線上互動式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，特別適用於網路中某些計算機設備採用分散式供電的系統。此種電源缺點是穩壓性能不高，尤其動態回響速度低，其次抗干擾能力不強，電路會產生諧波干擾和調製干擾。
（3）雙變換式UPS電源
指逆變器串聯連線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。
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、具有熱備份連線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。
技術指標
新型UPS中的逆變器大多採用了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．開關電源技術的套用，也使其自身損耗大大降低。主要技術指標如下：
（1）額定輸出功率和最大輸出功率；
（2）切換時間；
（3）輸出電壓穩定度，參考值±0.5%~±2%；
（4）輸出頻率穩定度，參考值±0.01%~±0.5%；
（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；
（6）效率高、損耗低。參考指標高於90%；
（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。如果採用雙匯流排輸出的多機“冗餘”型UPS供電系統，其MTBF甚至可達1000萬小時數量級。
發展特點
（1）高效率、高可靠性
由於IT 設備不斷增多、用電量加劇、機房面積緊張、低耗節能需求等客觀因素的存在，高效率、高可靠性的UPS 技術倍受關注。為提高UPS 運行效率，高性能電力電子器件不斷被研發成功並投入實際套用，如IGBT、MOSFET、GTR、智慧型功率模組IPM、MOS 控制晶閘管MCT 等，變流技術也需要隨著電力電子器件而更新。此外，業界正逐步推廣UPS 內部多模組冗餘並聯運行、甚至多台UPS 組成的系統冗餘運行技術，在並聯運行中，當單一模組或單機發生故障時，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。
（2）大功率化、模組化
由於IT 行業迅猛發展，數據中心的數據量也在以爆炸式的速度持續增長，隨之而來功率消耗增大。UPS 一方面朝著更大功率的方向發展，另一方面為應對不間斷電源容量分期擴充的需求，產品模組化已是不可阻擋的趨勢。更個性化的用戶需求、更龐大的數據中心規模及更高的維護成本使得UPS 已不再是單純的不間斷供電設備，針對不同行業領域的全套電源供應與管理解決方案才將倍受市場青睞。
行業內針對模組化UPS 解決方案基本形成了兩個方向：一是單機冗餘化，即通過多模組冗餘並聯構成大功率單相或者三相UPS，其可用性指標得到了質的飛躍；二是全模組化結構，即一個模組是一台完整的UPS，通過冗餘並聯直接構成中等功率UPS，在兼顧可用性指標的同時還具有良好的性價比。
（3）高頻化
相比傳統的工頻UPS，高頻UPS 採用功率因數校正和高頻軟開關技術，省去了工頻電能轉換環節，因此運行效率更高、對電網的諧波污染及無功消耗極小，完全能夠滿足國內外相關電力行業的標準要求。此外，高頻電能變換裝置在減小磁性部件體積和重量、降低製造成本、遏制運行噪音、節能環保等方面效果顯著，因此越來越受到用戶認可。
（4）數位化、智慧型化、網路化
數位化技術的優勢在當今信息社會中愈加明顯。在UPS 產品的研發和製造過程中採用全數位化技術可有效縮小產品體積、降低生產成本、提高產品的可靠性及針對用戶需求的匹配性；而數位化控制技術則會在UPS 系統運行過程中準確及時地進行信號採樣、處理、控制（包括電壓電流環等）、通信等工作，並將各環節的控制參數最佳化統一後傳送給UPS 綜合控制單元，從而使UPS 系統的運行更具效率，實現更簡單、更穩定的通信與均流，並獲取優良的電磁兼容指標。智慧型化主要貫穿於UPS 系統的控制、檢測與通信過程中，完全由計算機管理。計算機及其外設能自主應付一些可預見的問題，進行自動處理和調整，發出預警、告警信息等。通信設施所處環境日趨複雜，增大了維護難度，對電源設備的網路化監控管理提出了新的要求。網路化技術可通過對UPS 配置與計算機互連的軟硬體接口，實現計算機網路系統及數據資料的雙重保護、網路遠程事件記錄和監測控制、故障告警、參數自動測試分析等功能，使維護人員更為輕鬆、安全、高效地通過網際網路進行數據查詢、控制等維護工作。
（5）綠色、節能、環保
在世界能源格局變化加劇，國際油價劇烈震盪，全球能源供應緊張的形勢下，節能環保已成為UPS 廠商進行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。降低電源的輸入諧波，不但能改善UPS 對電網的負載特性，減少給電網帶來的嚴重污染，也能降低對其他網路設備的諧波干擾。已有許多UPS 廠商推出的產品功率因數接近1，可最大限度地減少無功功率的消耗。
注意事項
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。
（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，保持工作環境的溫度不高於25℃。如果工作環境溫度超過25℃，每溫升增加10℃，電池的壽命就會縮短一半左右。
（2）不宜在UPS電源的輸出端使用大功率可控矽負載、可控矽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電晶體被燒毀。
（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。
（4）禁止頻繁地關閉和開啟UPS電源，一般要求在關閉UPS電源後，至少等待30秒鐘後才能開啟UPS電源。因為造成中小型UPS電源高發故障的原因是：用戶頻繁的開機或關機，UPS電源帶負載進行逆變器供電和旁路供電切換期。
（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電源的最大啟動負載最好控制在80%之內，如果超載使用，在逆變狀態下，時常會擊穿逆變三極體。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）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。
（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。
