UPS技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)

摘要：介紹了USB的工作原理、選購方法和維護(hù)技術(shù)，闡述了UPS的發(fā)展趨勢(shì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：UPS 選購 維護(hù) 發(fā)展趨勢(shì)

計(jì)算機(jī)已在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。作為直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)軟硬件能否安全運(yùn)行的的一個(gè)重要因素——電源質(zhì)量的可靠性應(yīng)當(dāng)成為中小企業(yè)首要考慮的問題。伴隨著計(jì)算機(jī)的誕生而出現(xiàn)的UPS（Uninterruptable Power System）現(xiàn)已被廣大計(jì)算機(jī)用戶所接受。UPS主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)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)。目前，UPS正在被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)。

1 UPS的工作原理

UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常輸入時(shí)，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量儲(chǔ)存在電池中；當(dāng)市電中斷（事故停電）或輸入故障時(shí)，UPS即將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

目前市上供應(yīng)的UPS電源設(shè)備種類較多，輸出功率為500VA～3000kVA。UPS按工作模式可分為后備式、在線式和在線互動(dòng)式3大類，按其輸出波形又可分為方波輸出和正弦波輸出兩種。

1.1 后備式UPS電源

在市電正常供電時(shí)，市電通過交流旁路通道再經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)直接向負(fù)載提供電源，機(jī)內(nèi)的逆變器處于停止工作狀態(tài)，這時(shí)的UPS電源實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺(tái)性能較差的市電穩(wěn)壓器。它除了對(duì)市電電壓的幅度波動(dòng)有所改善外，對(duì)電壓的頻率不穩(wěn)、波形畸變以及從電網(wǎng)侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善。只有當(dāng)市電供電中斷或低于170V時(shí)，蓄電池才對(duì)UPS逆變器供電，并向負(fù)載提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的方波交流電源。

1.2 在線式UPS電源

在市電正常供電時(shí)，它首先將市交流電源經(jīng)整流變成直流電源，然后進(jìn)行脈寬調(diào)制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉(zhuǎn)換成正弦波交流電源向負(fù)載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負(fù)載提供正弦波交流電源。因此，對(duì)在線式UPS電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆變器對(duì)負(fù)載供電，這樣就避免了所有由市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)及干擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，而且在由市電供電轉(zhuǎn)換到蓄電池供電時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。真正給用戶提供高質(zhì)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要的電源保護(hù)。

1.2 在線互動(dòng)式UPS電源

在市電正常供電時(shí)，它首先將市電交流電源經(jīng)整流變成直流電源，然后進(jìn)行脈寬調(diào)制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉(zhuǎn)換成正弦波交流電源向負(fù)載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負(fù)載提供正弦波交流電源。因此，對(duì)在線式UPS電源而言，在正常情況下，無論有無市電，它都是由UPS電源的逆變器對(duì)負(fù)載供電，這樣就避免了所有由市電電網(wǎng)電壓波動(dòng)及干擾而帶來的影響。顯而易見，在線式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的穩(wěn)頻、穩(wěn)壓供電，而且在由市電供電轉(zhuǎn)換到蓄電池供電時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。真正給用戶提供高質(zhì)的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要的電源保護(hù)。

1.2 在線互動(dòng)式UPS電源

在線互動(dòng)式UPS電源也被稱為3端口式UPS電源，使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的角度來考慮，其變壓器存在3個(gè)能量流動(dòng)的端口：端口1連接市電輸入；端口2通過雙向變換器與蓄電池相連；端口3輸出。市電供電時(shí)，交流電經(jīng)端口1流入變壓器，穩(wěn)壓電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭接入，同時(shí)在端口2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能量轉(zhuǎn)換共同調(diào)節(jié)端口3上的輸出電壓，以此來達(dá)到比較好的穩(wěn)壓效果。市電掉電時(shí)，蓄電池通過雙向變換器經(jīng)端口2給變壓器供電，維持端口3上的交流輸出。在線互動(dòng)式UPS電源在變壓器抽頭切換的過程中，雙向變換器作為逆變器方式工作。蓄電池供電，因此能實(shí)現(xiàn)輸出電壓的不間斷，同樣在由市電供電到電池供電的切換過程中也能做到?jīng)]有轉(zhuǎn)換時(shí)間。在線互動(dòng)式UPS電池的電路實(shí)現(xiàn)簡單，沒有單獨(dú)的充電器，帶來的是生產(chǎn)成本的降低和可靠性的提高。這類產(chǎn)品在市電供電工作時(shí)也不存在AC/DC、DC/AC的轉(zhuǎn)換，使整機(jī)效率有所提高。在線互動(dòng)式UPS很好地結(jié)合了后備式UPS和在線式UPS的許多優(yōu)點(diǎn)，是一種很不錯(cuò)的變換形式。但是由于它使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問題。

2 UPS的選購

一臺(tái)UPS至少可以使用3年以上。用戶在挑選UPS電源時(shí)，應(yīng)根據(jù)自己的要求 來確定挑選標(biāo)準(zhǔn)，選擇最適合自己身業(yè)務(wù)需求的UPS，而不是最便宜或最高檔的。在選購UPS之前，用戶應(yīng)就負(fù)載設(shè)備所處理資料的重要性、各種用電設(shè)備對(duì)電源質(zhì)量的要求、安裝與空間要求以及經(jīng)濟(jì)預(yù)算等因素綜合考慮。此外，UPS的重量和體積大小是否合適也是我們?cè)谶x購時(shí)應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。

接下來，用戶應(yīng)了解所需UPS的容量，并考慮未來擴(kuò)充設(shè)備時(shí)的總?cè)萘?。選擇有信譽(yù)的品牌與制造商也是必不可少的。當(dāng)然，在購買UPS時(shí)還要注意其輸出功率、可供電時(shí)間長短、輸出電壓波形、瞬時(shí)響應(yīng)特性、輸出頻率穩(wěn)定度、波形失真系數(shù)、輸出電壓穩(wěn)度、安全性能、可維護(hù)性能及價(jià)格等諸多問題。簡而言之，用戶應(yīng)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求選購適當(dāng)?shù)腢PS產(chǎn)品，并從技術(shù)性能、服務(wù)保證和產(chǎn)品價(jià)格3個(gè)方面進(jìn)行考慮。

網(wǎng)絡(luò)用戶可以考慮選用在線互動(dòng)式UPS電源。在線互動(dòng)式UPS種類較多，但品質(zhì)良莠不齊，在選購時(shí)，一定要認(rèn)準(zhǔn)好的品牌。

對(duì)供電質(zhì)量要求很高的計(jì)算中心、網(wǎng)管中心（例如：銀行、證券、航管中心）等，為確保對(duì)負(fù)載供電的萬無一失，常需要采用下述幾種具有“容錯(cuò)”功能的冗余供電系統(tǒng)。

主機(jī)-從機(jī)型“熱備份”冗余供電系統(tǒng)：其結(jié)構(gòu)是將主機(jī)UPS的交流旁路連接到從機(jī)UPS的逆變器電源輸出端，萬一主機(jī)UPS出故障，可改由從機(jī)UPS帶載。這種冗余工作方式由于沒有“擴(kuò)容”功能和可能出現(xiàn)4毫秒的供電中斷，其應(yīng)用范圍有限。

“1+1”型直接開機(jī)冗余供電系統(tǒng)：它是通過將兩臺(tái)具有相同功率的UPS的輸出置于同幅度、同相位和同頻率的狀態(tài)而直接并聯(lián)起來。正常工作時(shí)，由兩臺(tái)UPS各承擔(dān)1/2負(fù)載電流，如果其中一臺(tái)UPS出故障，則由剩下的一臺(tái)UPS來承擔(dān)全部負(fù)載。這種并機(jī)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）是單機(jī)UPS的7～8倍，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 UPS的日常維護(hù)

隨著電腦的日益普及，電腦的保護(hù)神UPS也得到了廣泛的應(yīng)用。UPS是使用簡單但自身又比較嬌氣的設(shè)備，科學(xué)的使用和維護(hù)將會(huì)延長UPS的壽命。

（1）盡量不接電感性負(fù)載。因?yàn)殡姼行载?fù)載的啟動(dòng)電流往往會(huì)超過額定電流的3～4倍，這樣就會(huì)引起UPS的瞬時(shí)超載，影響UPS的壽命。電感性負(fù)載包括夏天常用的電風(fēng)扇、冰箱等。

（2）不宜滿載或過度輕載。不要按照UPS的額定功率去使用它，不要認(rèn)為空著的接口不應(yīng)該閑著而連接其他電器。長期滿載狀態(tài)將直接影響UPS壽命。一般情況下，在線式UPS的負(fù)載量應(yīng)該控制在70%～80%，而后備式的UPS的負(fù)載量應(yīng)該控制在60%～70%。

（3）保護(hù)好蓄電池。UPS的一個(gè)非常重要的組成部分就是蓄電池。目前，多數(shù)中小型的UPS都采用無需維護(hù)的密封式鉛酸蓄電池。雖然表面上它不需要維護(hù)，但照顧不周，同樣會(huì)出毛病，何況這種電池很貴。蓄電池是比較嬌貴的，要求在0～30℃環(huán)境中工作，25℃時(shí)效率最高。

（4）定期維護(hù)。通常，半年應(yīng)該測(cè)量一下UPS電池的端電壓。如果電壓超過1V就應(yīng)該使用均衡的恒壓限流（0.5A）充電；若不奏效，只能換新電池。如果當(dāng)?shù)亻L期不停電，必須定期（三個(gè)月）人為中斷供電，使UPS帶負(fù)載放電。

（5）注意防雷擊。一定要注意保證UPS的有效屏蔽和接地保護(hù)。

4 UPS的發(fā)展趨勢(shì)

隨著新技術(shù)不斷開發(fā)和在實(shí)踐中的逐步應(yīng)用，可以預(yù)見：今后UPS將向著高頻化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和大容量單機(jī)冗余化的方向發(fā)展。

高頻化：雖然傳統(tǒng)在線式UPS的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于它本身帶有許多無法突破的問題，供其發(fā)展前途受限。高頻化概念的引入，給UPS的發(fā)展帶來了許多新的思路和空間。隨著高頻技術(shù)和器件的發(fā)展，3kVA及以下的高頻在線式UPS的技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成熟悉，其功能和可靠性均應(yīng)高于傳統(tǒng)UPS。高頻化對(duì)于減小體積、降低成本以及對(duì)曲線性負(fù)載有更好的響應(yīng)上起著重要的作用。

智能化：微處理器在UPS上的應(yīng)用，過去只在大、中型UPS上采用，但近年來已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來的結(jié)果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測(cè)和通信。UPS逐漸由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行管理，并且計(jì)算機(jī)及外設(shè)能“自主”應(yīng)付一些可能預(yù)見到的問題，能進(jìn)行自動(dòng)管理和調(diào)整，如自動(dòng)關(guān)閉宿主計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)并關(guān)閉其電源，定時(shí)開關(guān)UPS本身等，并能將有關(guān)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)管理員，便于進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

網(wǎng)絡(luò)化：把UPS做為網(wǎng)絡(luò)家庭一個(gè)成員的要求越來越迫切，因?yàn)樗蔷W(wǎng)絡(luò)能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時(shí)為多臺(tái)計(jì)算機(jī)或其它外設(shè)服務(wù)，并能夠通過某種機(jī)制達(dá)成負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)配置。

大容量單機(jī)冗余化：由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機(jī)內(nèi)冗余已出現(xiàn)。在大容量的UPS目前還必須通過并機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)，但這樣作又作用戶投資太大。毫無疑問，使用Internet技術(shù)監(jiān)控UPS系統(tǒng)將成為未來UPS技術(shù)的主流之一。