UPS技術(shù)及其發(fā)展趨勢

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

關(guān)鍵詞：UPS 選購 維護 發(fā)展趨勢

計算機已在各行各業(yè)得到廣泛應用。作為直接關(guān)系到計算機軟硬件能否安全運行的的一個(gè)重要因素——電源質(zhì)量的可靠性應當成為中小企業(yè)首要考慮的問(wèn)題。伴隨著(zhù)計算機的誕生而出現的UPS（Uninterruptable Power System）現已被廣大計算機用戶(hù)所接受。UPS主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡(luò )系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。目前，UPS正在被廣泛地應用于計算機、交通、銀行、證券、通信、醫療、工業(yè)控制等行業(yè)。

1 UPS的工作原理

UPS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。當市電正常輸入時(shí)，UPS就將市電穩壓后供給負載使用，同時(shí)對機內電池充電，把能量?jì)Υ嬖陔姵刂?；當市電中斷（事故停電）或輸入故障時(shí)，UPS即將機內電池的能量轉換為220V交流電繼續供負載使用，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

目前市上供應的UPS電源設備種類(lèi)較多，輸出功率為500VA～3000kVA。UPS按工作模式可分為后備式、在線(xiàn)式和在線(xiàn)互動(dòng)式3大類(lèi)，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(guò)交流旁路通道再經(jīng)轉換開(kāi)關(guān)直接向負載提供電源，機內的逆變器處于停止工作狀態(tài)，這時(shí)的UPS電源實(shí)質(zhì)上相當于一臺性能較差的市電穩壓器。它除了對市電電壓的幅度波動(dòng)有所改善外，對電壓的頻率不穩、波形畸變以及從電網(wǎng)侵入的干擾等不良影響基本上沒(méi)有任何改善。只有當市電供電中斷或低于170V時(shí)，蓄電池才對UPS逆變器供電，并向負載提供穩壓、穩頻的方波交流電源。

1.2 在線(xiàn)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)行脈寬調制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此，對在線(xiàn)式UPS電源而言，在正常情況下，無(wú)論有無(wú)市電，它都是由UPS電源的逆變器對負載供電，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(lái)的影響。顯而易見(jiàn)，在線(xiàn)式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因為它可以實(shí)現對負載的穩頻、穩壓供電，而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時(shí)，其轉換時(shí)間為零。真正給用戶(hù)提供高質(zhì)的穩壓、穩頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網(wǎng)絡(luò )系統需要的電源保護。

1.2 在線(xiàn)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)行脈寬調制、濾波，再將直流電經(jīng)逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷，立即改由蓄電電池提供的直流電經(jīng)逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此，對在線(xiàn)式UPS電源而言，在正常情況下，無(wú)論有無(wú)市電，它都是由UPS電源的逆變器對負載供電，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(lái)的影響。顯而易見(jiàn)，在線(xiàn)式UPS電源的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。因為它可以實(shí)現對負載的穩頻、穩壓供電，而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時(shí)，其轉換時(shí)間為零。真正給用戶(hù)提供高質(zhì)的穩壓、穩頻的純凈正弦波電源，從而提供符合網(wǎng)絡(luò )系統需要的電源保護。

1.2 在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電源

在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電源也被稱(chēng)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(lái)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(guò)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換共同調節端口3上的輸出電壓，以此來(lái)達到比較好的穩壓效果。市電掉電時(shí)，蓄電池通過(guò)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(xiàn)互動(dòng)式UPS電源在變壓器抽頭切換的過(guò)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(guò)程中也能做到?jīng)]有轉換時(shí)間。在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電池的電路實(shí)現簡(jiǎn)單，沒(méi)有單獨的充電器，帶來(lái)的是生產(chǎn)成本的降低和可靠性的提高。這類(lèi)產(chǎn)品在市電供電工作時(shí)也不存在A(yíng)C/DC、DC/AC的轉換，使整機效率有所提高。在線(xiàn)互動(dòng)式UPS很好地結合了后備式UPS和在線(xiàn)式UPS的許多優(yōu)點(diǎn)，是一種很不錯的變換形式。但是由于它使用的是工頻變壓器，同樣有笨重、體積大的問(wèn)題。

2 UPS的選購

一臺UPS至少可以使用3年以上。用戶(hù)在挑選UPS電源時(shí)，應根據自己的要求 來(lái)確定挑選標準，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(hù)應就負載設備所處理資料的重要性、各種用電設備對電源質(zhì)量的要求、安裝與空間要求以及經(jīng)濟預算等因素綜合考慮。此外，UPS的重量和體積大小是否合適也是我們在選購時(shí)應注意的關(guān)鍵問(wèn)題。

接下來(lái)，用戶(hù)應了解所需UPS的容量，并考慮未來(lái)擴充設備時(shí)的總容量。選擇有信譽(yù)的品牌與制造商也是必不可少的。當然，在購買(mǎi)UPS時(shí)還要注意其輸出功率、可供電時(shí)間長(cháng)短、輸出電壓波形、瞬時(shí)響應特性、輸出頻率穩定度、波形失真系數、輸出電壓穩度、安全性能、可維護性能及價(jià)格等諸多問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，用戶(hù)應根據自身的業(yè)務(wù)需求選購適當的UPS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(hù)可以考慮選用在線(xiàn)互動(dòng)式UPS電源。在線(xiàn)互動(dòng)式UPS種類(lèi)較多，但品質(zhì)良莠不齊，在選購時(shí)，一定要認準好的品牌。

對供電質(zhì)量要求很高的計算中心、網(wǎng)管中心（例如：銀行、證券、航管中心）等，為確保對負載供電的萬(wàn)無(wú)一失，常需要采用下述幾種具有“容錯”功能的冗余供電系統。

主機-從機型“熱備份”冗余供電系統：其結構是將主機UPS的交流旁路連接到從機UPS的逆變器電源輸出端，萬(wàn)一主機UPS出故障，可改由從機UPS帶載。這種冗余工作方式由于沒(méi)有“擴容”功能和可能出現4毫秒的供電中斷，其應用范圍有限。

“1+1”型直接開(kāi)機冗余供電系統：它是通過(guò)將兩臺具有相同功率的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(lái)。正常工作時(shí)，由兩臺UPS各承擔1/2負載電流，如果其中一臺UPS出故障，則由剩下的一臺UPS來(lái)承擔全部負載。這種并機系統的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）是單機UPS的7～8倍，從而大大提高了系統的可靠性。

3 UPS的日常維護

隨著(zhù)電腦的日益普及，電腦的保護神UPS也得到了廣泛的應用。UPS是使用簡(jiǎn)單但自身又比較嬌氣的設備，科學(xué)的使用和維護將會(huì )延長(cháng)UPS的壽命。

（1）盡量不接電感性負載。因為電感性負載的啟動(dòng)電流往往會(huì )超過(guò)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。電感性負載包括夏天常用的電風(fēng)扇、冰箱等。

（2）不宜滿(mǎn)載或過(guò)度輕載。不要按照UPS的額定功率去使用它，不要認為空著(zhù)的接口不應該閑著(zhù)而連接其他電器。長(cháng)期滿(mǎn)載狀態(tài)將直接影響UPS壽命。一般情況下，在線(xiàn)式UPS的負載量應該控制在70%～80%，而后備式的UPS的負載量應該控制在60%～70%。

（3）保護好蓄電池。UPS的一個(gè)非常重要的組成部分就是蓄電池。目前，多數中小型的UPS都采用無(wú)需維護的密封式鉛酸蓄電池。雖然表面上它不需要維護，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。通常，半年應該測量一下UPS電池的端電壓。如果電壓超過(guò)1V就應該使用均衡的恒壓限流（0.5A）充電；若不奏效，只能換新電池。如果當地長(cháng)期不停電，必須定期（三個(gè)月）人為中斷供電，使UPS帶負載放電。

（5）注意防雷擊。一定要注意保證UPS的有效屏蔽和接地保護。

4 UPS的發(fā)展趨勢

隨著(zhù)新技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)和在實(shí)踐中的逐步應用，可以預見(jiàn)：今后UPS將向著(zhù)高頻化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化和大容量單機冗余化的方向發(fā)展。

高頻化：雖然傳統在線(xiàn)式UPS的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于它本身帶有許多無(wú)法突破的問(wèn)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(lái)了許多新的思路和空間。隨著(zhù)高頻技術(shù)和器件的發(fā)展，3kVA及以下的高頻在線(xiàn)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高于傳統UPS。高頻化對于減小體積、降低成本以及對曲線(xiàn)性負載有更好的響應上起著(zhù)重要的作用。

智能化：微處理器在UPS上的應用，過(guò)去只在大、中型UPS上采用，但近年來(lái)已逐漸向小型、微型UPS方面發(fā)展，其帶來(lái)的結果是UPS的智能化發(fā)展，包括控制、檢測和通信。UPS逐漸由計算機來(lái)進(jìn)行管理，并且計算機及外設能“自主”應付一些可能預見(jiàn)到的問(wèn)題，能進(jìn)行自動(dòng)管理和調整，如自動(dòng)關(guān)閉宿主計算機的操作系統并關(guān)閉其電源，定時(shí)開(kāi)關(guān)UPS本身等，并能將有關(guān)信號通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞給操作系統或網(wǎng)絡(luò )管理員，便于進(jìn)行遠程管理。

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(lái)越迫切，因為它是網(wǎng)絡(luò )能正常運行的基礎。要求UPS擁有更大的蓄電量、可以同時(shí)為多臺計算機或其它外設服務(wù)，并能夠通過(guò)某種機制達成負載之間的動(dòng)態(tài)配置。

大容量單機冗余化：由于網(wǎng)絡(luò )對UPS可靠性的要求越來(lái)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的單機內冗余已出現。在大容量的UPS目前還必須通過(guò)并機的方法實(shí)現，但這樣作又作用戶(hù)投資太大。毫無(wú)疑問(wèn)，使用Internet技術(shù)監控UPS系統將成為未來(lái)UPS技術(shù)的主流之一。