UPS的选型及运行方式

2017-09-25雷明慧��

中华建设科技 2017年8期

雷明慧��

【摘要】随着信息技术的不断进步，使用者对交流电源供应系统的要求越来越高。采用适合现场使用工况的UPS，能对负载的运行发挥很好的作用，能消除安全的隐患。但在选用UPS系统供电时，不但要满足实用、可靠，还要考虑各种结构UPS的局限性和不足之处。

【关键词】UPS电源；选型；运行方式

Type selection and operation mode of UPS

Lei Ming-hui

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】With the continuous progress of information technology， the demand of AC power supply system is higher and higher. Using UPS suitable for field operation， it can play a good role in the operation of the load， and can eliminate the hidden dangers of safety. But when using UPS system power supply， not only to meet the practical and reliable， but also to consider the limitations and shortcomings of various structures UPS.

【Key words】UPS power supply；Type selection；Operation mode

前言：本文論述了UPS电源的主要功能、技术指标、UPS分类、运行方式等，以满足使用者的可靠使用及便捷的维护。

1. UPS的主要功能

（1）实现电网与用电器之间的隔离；

（2）实现两路电源的不间断切换；

（3）提供高质量电源；

（4）电压变换和频率变换功能；

（5）停电后提供后备时间。

2. UPS技术指标

随着UPS产品的技术不断发展与完善，现在UPS产品已日趋成熟。现代UPS可以达到的优越技术指标，使得在市电的任何恶劣条件下，都能保证用电设备对电源质量的要求。这些技术要求主要包括[1]：

（1）市电宽幅的电压波动对其影响；

（2）市电电压波形失真对其影响；

（3）市电的三相不平衡对其影响；

（4）UPS输出电压稳定精度；

（5）UPS输出电压波形失真度；

（6）UPS输出频率稳定度；

（7）UPS输出电压平衡度；

（8）UPS输入功率因素；

（9）UPS电流输入谐波成分；

（10）UPS在市电掉电后切换时间；

（11）UPS整机运行效率；

（12）UPS输出的过载能力；

（13）UPS输出电流的THD系数；

（14）市电掉电后的UPS维持工作时间；

（15）UPS是否具有网络管理、网络通讯以及基于该基础上的信息通信。

3. UPS电源的分类

UPS电源从运作方式上可分为动态式和静态式两种。动态式UPS由整流器、电池、直流电动机、柴（汽）油机、飞轮和发电机组构成，是UPS的较早形式，具有稳定可靠，维护技术比较简单的优点。但设备庞大笨重，效率低，噪声大，目前已应用不多。通常人们所指的UPS大都指静态式UPS，静态式UPS采用了大功率逆变技术和强电流电子开关，实现大功率的电能转换，更能适应于当今IT行业、自动化控制和精密仪器等的普遍应用。

静态UPS可以以内部结构、输出波形、容量、后备时间来分类，其中按照内部结构分为后备式、双逆变在线式及在线互动式。以内部结构分类是现行最被接受的，并以此来判定不同品牌的UPS的优劣。

3.1后备式。

（1）当市电正常供电时，直接供应给负载使用，同时有一回路经充电回路对电池组充电。若市电的电压不稳定或市电发生异常.则由UPS的变流器提供稳定的电力给负载使用。多数此类产品的输出波形皆为方波或阶梯波。

（2）后备式结构其内部电路设计上相当简单，而且在实际上运作的过程中，交流输入电源直接输出至电源输出端，几乎没有电力损耗，输出效率可达98%以上。但在执行一般性的电源输出入动作时，当外部所提供的输入电源品质不佳（电压不稳、频率变动、杂波、扭曲等因素），在输出端也会以同样状态来输出电源。所以往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路加以改善，提高了UPS双向抗干扰功能。其主要特点是：当UPS发现外部发生停电情形，切换至内部电池输出电力的所需时间一般为4ms～10ms，对一般的计算机设备的工作不会造成影响。由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，UPS工作时输出波形大都为方波，供电质量相对较差。UPS输出功率做大有一定困难，只适用于要求不高的场合，并且功率一般都较小，多在2KVA以下。但后备式UPS产品有着价格优势，比较便宜（见图1）。

3.2双逆变在线式。

（1）在线式UPS电源一般采用双变换模式。即使在电网电压正常供电时，UPS的输出，也是将外来电压经过本身的加工转换后再供给负载，也就是说，当市电正常供电时.市电经滤波回路及突波吸收回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为变流器的输入，再经过变流器的转换提供净化过的交流电力给负载使用；此时若市电发生异常，变流器的输入则改由电池组来供应，变流器持续提供电力，达到完全不断电。endprint

（2）由此可知，不论市电电力质量如何，其输出均是稳定且纯净的正弦波电源。双逆变在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。双逆变在线式UPS的这种特点。使它比较适合于用外加电池或加装优质发电机的方法，改装成长时间不间断供电系统，所以它多被用在供电质量要求很高的场所。但是无论市电有无，全部负载功率都由逆变器供出，UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以对负载提出限制条件，例如输出电流峰值系数（一般只达到3：1），过载能力、输出功率因数（一般为0.8）、输出有功功率小于标定的功率数，应付冲击性负载的能力等；同时整流器多为整流电路，对电网形成电流谐波干扰，输入功率因数低，经滤波后，最小的谐波电流成分在10%左右，而输入功率因数只有O.8左右，如果在整流器中使用功率因数校正技术，则可把输入功率因数提高到接近1，输入电流谐波成分也会大幅度降低；还有在市电存在时，由于两个逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低，10KVA以下的UPS为80%左右，50KVA的可达85%～90%，l00KVA以上的可达90%～92%（见图2）。

3.3在线互动式。

（1）介于后备式和在线式工作方式之间的UPS设备，当市电电源在约l50V～264V的范围内，它向用户提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电源对于这种UPS来说，仅仅当市电电源电压低于150V或高于264V左右时，它才有可能向用户提供真正的“UPS逆变器高质量的正弦波”电源[2]。

（2）在线互动式集中了后备式UPS效率较高和在线式UPS供电质量高的优点。其原理与后备式不断电系统相去不远，主要不同在于此类产品将充电回路与变流器整合为双向转换回路，采用了铁磁谐波变压器，可自动监测输入电压是否符合于正常范围内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供较稳定之输出电压因此在线互动式UPS也有转换时间，比后备式UPS短。同后备式UPS相比，在线互动UPS的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，逆变器与输出直接接在一起，没有转换开关的限制，所以输出功率可提高到5KVA～10KVA，而其最大的优点是具有较强的软件功能。考虑到与充电逆变器共用一个模块，在给电池充电时，由逆变器产生的高频成分很难滤掉，充电效果不是非常令人满意，故不适合作长延时的UPS。在线互动式UPS价格远远低于在线式UPS，只比后备式UPS价格稍高，也是一种适合小型办公或家庭使用的UPS，为了进一步改善在线互动式的功能，可在输入开关和智能调压之间串接一个电感，串联电感对逆变输出反馈到电网的电流有很强的抑制作用。避免了输入开关未断开时短路逆变器输出的危险，当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，也可以使在线互动式的转换时间减小到零，使其完全具备双逆变在线式的转换功能，同时还增加了整个UPS的抗干擾能力。但是，这样做却带来了降低UPS输入功率的不良后果（见图3）。

3.4双逆变电压补偿在线式[3]。

（1）双逆变电压补偿技术也称为Delta技术，是目前国际上最领先的技术。它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中，当市电存在时，两组逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%。这就增强了UPS的输出能力和过载能力，不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，输出有功功率可以等于标定的功率值。总而言之，Delta技术的运用，不仅弥补了原来在线式的不足，还使得许多主要指标有了新的突破。

（2）逆变电压补偿在线式同样是双逆变电路结构和在线工作，当市电存在时。整流器和变流器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器负担的最大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量大，这就大大增强了UPS的输出能力，提高了整机效率（很大的功率范围内都可达到96%），乃至元器件、整机的寿命和可靠性；与双逆变在线式相比，过载能力增强（200%，lmin）。整流器同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于l，输入谐波电流降到3%以下（见图4）。

3.5四种电路结构UPS的性能特点。

（1）四种结构形式的UPS并存，这是目前UPS技术和市场的现实，这种现象是在对UPS使用要求不断提高和UPS技术不断进步的过程中形成的，如果从技术先进性、主要性能指标（对电网的适应能力，输出能力和可靠性）的优劣、输出功率等级、生产成本、不同的使用场合等方面做一下综合性的比较，可以肯定，虽然这四种类型的UPS将并存下去，但必然会在使用过程中不断改进技术，提高性能，当然，优胜劣汰也是在所难免的。

（2）但是，由于UPS功能概念发生了变化，对UPS硬件技术提出更高的要求，这种要求可用“实用、可靠”四个字来概括，换句话说，目前的UPS的各种性能指标，虽然基本上可以满足作用者的要求，但还有很多局限性和不足之处。

3.6UPS选型注意事项。

3.6.1不应该过分追求对常规指标的高标准要求。

所谓常规指标，是指诸如输出电压稳定精度、失真度、频率稳定精度、相差（三相）、电压平衡度（三相）、转换时间（后备式UPS以及在线式向旁路转换）、动态响应等，这些指标代表了UPS输出电压的质量。事实上，当前各品牌的UPS在这些指标方面都已达到了很高的标准，对满足负载的要求来说，已绰绰有余。

3.6.2不应该轻视甚至忽视对UPS输出能力和可靠性的考察。

UPS做为一级供电设备，首先要求它在复杂的电网环境下能正常投入运行，并且不对电网造成干扰和破坏；二是要全面的改善电网质量；三是要考察它的输出能力和可靠性。特别是第一点和第三点，当前的UPS还有很多不足之处。对于电网环境，输入电压可变范围不够，（例如±15%）不能适应我国电网电压变动幅度较大的实际情况，UPS输入功率因数低（例如0.8左右），输入电流谐波大（≥10%），对电网电压有干扰和破坏作用，至于输出能力，存在的局限更明显，与真正的电网供电能力相比要差得多，例如对特殊负载，诸如强容性负载，强感性负载，非周期性冲击负载，周期性冲击负载，负载故障乃至人为误操作故障所造成的对UPS输出的破坏性威胁。如果直接用电网供电，电网容量以及配电部件（变压器、开关、保险等）是可以承受的。而用UPS供电则没有把握，事实上，UPS往往是在启动过程和上述特殊负载和故障中损坏的。在使用中，使用者要用前级附加交流稳压设备解决UPS（特别是大功率UPS）允许电网电压变化范围不够大的问题，至于输入功率因数低和谐波电流大，只能无可奈何的任其存在了。在输出能力方面，UPS厂家对负载提出了种种限制，例如输出电流峰值系数（一般不能超过3：1）、非周期性冲击负载（增加UPS配电容量）、负载功率因数（一般在0.8左右，使UPS标定的KVA≠KW）等，同真实的电网相比，这些限制是不应该有的，这些限制反映了UPS输入输出能力的局限性，应该说，输出能力和可靠性才是UPS硬件技术最关键的指标。endprint

3.6.3关于转换时间的问题。

（1）厂家的宣传和媒介的误导，使用户错认为在线式UPS没有转换时间，没有转换时间的UPS的性能就高人一等。

（2）后备式UPS只在市电掉电一种情况下存在转换时间，而在线式UPS不仅在逆变器故障时存在逆变====旁路的转换时间，由于逆变器输出能力有局限，当负载故障、过载和启动时（存在冲击电流）也存在向旁路的转换时间。

3.6.4关于UPS的输入功率因数和输入电流谐波。

双逆变在线式UPS，其AC/DC逆变器多为整流滤波电路，它的输入功率因数低，一般只在0.8左右，输入电流谐波大，可达30%，加专门滤波措施后，也仅能降到10%。输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流则干扰破坏电网，特别是三相大功率UPS。这两项指标的危害很大，形成所谓的电力公害，使由同一电网供电的变压器、电动机、电容器等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化；引起异步电动机转矩降低，振动加剧，噪声增大；引起继电器和自动装置误动作；高次谐波对通讯线路、测量仪器产生辐射干扰；影响电能计量的精度等。所以，UPS的输入功率因数和输入谐波电流应被视为重要性能指标之一，应该把输入功率因数>0.95，输入电流谐波<5%，做为判定UPS性能指标是否合格的标准之一。

3.6.5关于UPS的频率稳定度。

UPS的输出的常规指标中有频率稳定精度一项，特别是双逆变在线式UPS，把此指标标定为<±1%（甚至是0.1），但这只是在市电掉电后由电池供电时的情况，UPS万分之九十九的时间是在有市电的情况下運行时，此时UPS无频率稳定可言。在线式UPS为防止由逆变器转旁路时因逆变器输出短路而损坏，在正常运行时，要求逆变器工作频率和相位都是要跟踪输入电网电压的，所以标识UPS频率稳定的高指标是没有意义的，况且，一般电子设备在输入电源频变化范围为±3%时丝毫不影响其正常工作。

3.6.6关于效率与可靠性。

UPS的工作效率高时，意味着节省电能，是绿色电源的标识之一。但还应该注意到效率与可靠性是密切相关的，效率高意味着电路技术先进，元器件选用得好，意味着功率器件功率损耗小，功率强度小，温度低，这必然会增强元器件乃至整机的寿命和可靠性。

3.6.7输出能力与可靠性。

（1）输出功率因数、输出电流波峰系数、输出过载能力、输出不平衡负载的能力等指标，直接反映了UPS的输出能力，对这些指标的限制，说明了UPS输出能力的局限性和脆弱的一面，尽管在配置UPS容量时尽可以使负载量满足UPS的要求，甚至留出很大的余量，但这些指标却直接反映了UPS的可靠性。过载能力强的，允许输出电流波峰系数高的，对负载功率因数限制小的，在同样电网环境和负载条件运行，其可靠性必然高，这是毋容置疑的道理。

（2）下表是在市电存在的情况下对各类UPS运行参数的比较，当市电掉电转为由电池供电时，各类UPS都是由DC-AC逆变器供电，运行参数没有本质的区别（见表1）。

4. UPS运行方式

UPS有四种操作运行模式：正常操作模式、停电模式（电池供电）、备用电源模式和维护旁路模式[4]。

4.1正常操作模式。

在正常交流电源供应下，整流器将交流电转换为直流电源后，供电给逆变器并同时对电池充电。在将交流电整流为直流电时，整流器能将市电中所产生的异常波形、噪声及频率不稳定等问题消除，使逆变器提供更稳定的电源给负载。

4.2停电模式。

当交流电源发生异常或整流器、电抗器故障时，电池组提供电能给逆变器，使交流输出不会有中断现象，进而达到保护输出负载的作用。

4.3备用电源模式。

当逆变器发生异常状况如逆变器保险丝熔断、元件温度过高、短路等故障时，逆变器会自动切断以防止损坏，若此时旁路交流电源正常时，静态开关会将电源供应转为由旁路备用电源输出给负载使用。

4.4维护旁路模式。

（1）当UPS要进行维修或更换电池而且负载供电又不能中断时，可以先切断逆变器开关然后激活旁路开关，再将整流器和备用电源开关切断。在手动维护旁路转换的过程中，交流电源经由维护旁路开关继续供应电源给负载，此时，维护人员可以安全地对UPS进行维护。

（2）在UPS的使用过程中尤其不能忽视的是维护检修工作，再好的设备也有寿命，也会出现各种故障，不能因为其高智能、免维护或者是进口设备而忽略了本应进行的维护工作，预防在任何时候都是安全运行的重要保障。