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UPS不間斷電源的電路結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)點
UPS不間斷電源知識入門-特點-分類篇:對UPS不間斷電源的電路結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)點等內(nèi)容的詮述。
UPS不間斷電源的電路結(jié)構(gòu)及性能優(yōu)點
一、 UPS電路結(jié)構(gòu)種類
當前技術(shù)成熟并已形成產(chǎn)品的各種UPS，就其主電路結(jié)構(gòu)和不停電供電運行機制來看，主要有幾大類：
后備式
在線互動式
雙逆變在線式
雙逆變電壓補償在線式（逆變器）
圖（一）、（二）、（三）、（四）分別是以上四種類型UPS的基本電路結(jié)構(gòu)形式。
1、 后備式是靜止式UPS的zui初形式，因為應(yīng)用得早，用得廣泛，因而技術(shù)和產(chǎn)品都是很成熟的，圖（一）中電路各環(huán)節(jié)的功能為：
·充電器：市電存在時，對蓄電池充電并浮充，如果是長延時UPS，就要求它有較強的充電能力，或者外加相應(yīng)容量的附加充電器。
·DC-AC逆變器：市電存在時，逆變器不工作；市電掉電時，由它將直流電壓（電池供給）變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波、正弦波三種形式。
·輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)：市電存在時，接通輸入電源向負載供電；市電掉電時，斷開電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負載供電。 智能調(diào)壓：市電存在時，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓。
后備式UPS的性能特點是：
·當市電存在時，效率高，可達98%以上；
·當市電存在時，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負載電流，UPS本身不 產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當市電存在時，輸出能力強，對負載電流波峰系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴格地限制；
·市電掉電時，輸出有轉(zhuǎn)換時間,一般可做到4ms左右,足以滿足負載要求；
·當市電存在時，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負載要求；
·當市電存在時，整機要靠附加濾波電路提高UPS雙向抗干擾功能；
·電路簡單，成本低，可靠性高；
·由于輸出有轉(zhuǎn)換開關(guān)，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當前面市的后備式UPS多在2KVA以下。
2、 在線互動式的在線含意是逆變器處于熱備份狀態(tài)，同時兼顧了對電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時的轉(zhuǎn)換時間，提高了對輸出電壓的濾波作用。圖（二）中電路各環(huán)節(jié)的功能如下：
·輸入開關(guān)：當市電掉電時（指電網(wǎng)失壓），斷開開關(guān)，防止逆變器向電網(wǎng)饋電；
·智能調(diào)壓：市電存在時，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓；
·DC/AC逆變器：此逆變器可雙向逆變，當市電存在時，逆變方向是AC- DC, 給電池充電并浮充；市電掉電后，逆變方向為DC-AC，由電池供電，保持UPS繼續(xù)向負載供電。
在線互動式UPS的性能特點是：
·當市電存在時，效率高，可達98%以上；
·當市電存在時，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成份取決于負載 電流，UPS本 身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當市電存在時，輸出能力強，對負載電流峰值系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率 因數(shù)、過載等沒有嚴格地限制；
·市電掉電時，因為輸入開關(guān)存在開斷時間，至使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時間，但比后備式要小；
·市電存在時，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負載要求；
·市電存在時，因為逆變器直接接在輸出端，并且處在熱備份狀況，對輸出電壓尖峰干擾有濾波作用；
·電路更簡單，成本低，可靠性高；
·逆變器同時有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強的多，當要求長延時供電時，無須再增加機外充電設(shè)備；
·由于逆變器與輸出直接接在一起，沒有轉(zhuǎn)換開關(guān)的限制，所以輸出功率可提高到5-10KVA。
為了進一步改善在線互動式的功能，可在輸入開關(guān)和智能調(diào)壓之間串接一個電感，目的在于當市電掉電時，逆變器可立即向負載供電，因為串聯(lián)電感對逆變輸出反饋到電網(wǎng)的電流有很強的抑制作用，避免了輸入開關(guān)未斷開時短路逆變器輸出的危險，這樣做可以使在線互動式的轉(zhuǎn)換時間減小到零，使其*具備雙逆變在線式的轉(zhuǎn)換功能，同時還增加了整個UPS的抗干擾能力。但是，這樣做卻帶來了降低UPS輸入功率因數(shù)的不良后果。
3、 雙逆變在線式
當前，絕大多數(shù)在線式，特別是大功率在線式UPS，大都采用了雙逆變電路結(jié)構(gòu)，圖（三）中電路各環(huán)節(jié)功能如下：
·逆變器（Ⅰ）：該逆變器為AC-DC單向逆變，當市電存在時，它完成對電池的充電，并通過逆變器（Ⅱ）向負載供電，該逆變器多為整流或可控整流電路；
·逆變器（Ⅱ）：該逆變器為DC-AC單向逆變，當市電存在時，它由逆變（Ⅰ）取得功率后再送到輸出端，并保證向負載提供高質(zhì)量的電源；當市電掉電時，由電池通過逆變器（Ⅱ）向負載供電；
·旁路開關(guān)：平時處在斷開狀態(tài)，當逆變電路發(fā)生故障，或者當負載有沖擊性（例如啟動負載時）或故障過載時，逆變器停止輸出，旁路開關(guān)接通，由電網(wǎng)直接向負載供電，旁路開關(guān)多為智能型的功率容量很強的無觸點開關(guān)。
雙逆變在線式UPS的性能特點如下：
·因為不管市電有無，負載的全部功率都由逆變器給出，所以可以向負載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定精度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動態(tài)響應(yīng)、波形失真度等指標，都是比較高的；
·市電掉電時，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時間；
·因為無論市電有無，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(shù)（一般只達到3:1）、過載能力、輸出功率因數(shù)（一般為0.8）、輸出有功功率小于標定的KVA數(shù)，應(yīng)付沖擊性負載的能力等；
·由于逆變器（Ⅰ）多為整流電路，對電網(wǎng)形成電流諧波干擾，輸入功率因數(shù)低，經(jīng)濾波后，zui小的諧波電流成份在10%左右，而輸入功率因數(shù)只有0.8左右，如果在逆變器（Ⅰ）中使用功率因數(shù)校正技術(shù)，則可把輸入功率因數(shù)提高到接近1，輸入電流諧波成份也會大幅度降低；
·在市電存在時，由于兩個逆變器都承擔(dān)100%的負載功率，所以整機效率低，10KVA以下的UPS為80%左右，50 KVA的可達85-90%，100 KVA以上的可達90--92%。
4、 雙逆變電壓補償在線式技術(shù)是由美國APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成產(chǎn)品的，同樣是雙逆變電路結(jié)構(gòu)，同樣是在線工作，但是，由于它成功地把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補償原理用到了UPS的主電路中，相對雙逆變在線式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境并且不干擾破壞電網(wǎng)、在輸出能力和可靠性等多項UPS主要指標方面都有了新的突破。APC Silcon稱此電路結(jié)構(gòu)為Delta逆變技術(shù)。圖（四）中各環(huán)節(jié)的功能為：
·逆變器（Ⅰ）：它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器（高 頻）的付邊串聯(lián)在UPS主電路中，其功能有三個：
*：對UPS輸入端進行輸入功率因數(shù)補償，并抑制輸入電流諧波；
第二：與逆變（Ⅱ）一起，完成對輸入電壓的補償，當輸入電壓高于輸出 電壓額定值時，逆變器（Ⅰ）吸收功率，反
極性補償輸入輸出電壓的差值，當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，逆變器（Ⅰ）輸出功率，正極性補償輸入輸出電壓的差值；
第三：與逆變器（Ⅱ）一起完成對電池的充電和浮充功能。
·逆變器（Ⅱ）：該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個：
*：同逆變器（Ⅰ）一起，完成對輸入輸出電壓差值的補償；
第二：同逆變器（Ⅰ）一起完成對電池的充電和電壓浮充功能；
第三：隨時監(jiān)測輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，對輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進行補償，使其不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響；
第四：當市電掉電時，全部輸出功率由逆變器（Ⅱ）給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉(zhuǎn)換時間為零。
圖（五）是雙逆變電壓補償在線式UPS在各種情況下電流和功率傳輸示意圖（這里假定UPS效率為100%）
雙逆變電壓補償在線式的性能特點如下：
因為逆變器（Ⅱ）隨時監(jiān)視控制輸出電壓，并通過逆變（Ⅰ）參與主回路電壓的調(diào)整，所以不管市電有無，都可以向負載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動態(tài)響應(yīng)、波形失真等指標，都是比較高的。
市電掉電時，輸出電壓不受響應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)換時間。并且，當負載電流發(fā)生畸變時，也由逆變器（Ⅱ）調(diào)整補償?shù)?，所以是典型的在線工作方式。
當市電存在時，逆變器（Ⅰ）和（Ⅱ）只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調(diào)整和補償，逆變器承擔(dān)的zui大功率（當輸入電壓處于上限和下*）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，這就大大增強了UPS的輸出能力，與雙逆變在線式相比，過載能力增強（200%,1分鐘），不再對負載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負載，不再對負載功率因數(shù)進行限制，輸出有功功率可以等于標定的KVA值。
·逆變器（Ⅰ）同時完成了對輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。
在市電存在時，由于兩個逆變器承擔(dān)的zui大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機效率在很大的功率范圍內(nèi)都可達到96%。
在市電存在的情況下（UPS連續(xù)運行時間的99%是有市電的），逆變器功率強度僅為設(shè)計值（逆變器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整機的壽命和可靠性必然大幅度提高。
二、 四種電路結(jié)構(gòu)UPS的性能特點
四種結(jié)構(gòu)形式的UPS并存，這是目前UPS技術(shù)和市場的現(xiàn)實，這種現(xiàn)象是在對UPS使用要求不斷提高和UPS技術(shù)不斷進步的過程中形成的，如果從技術(shù)先進性、主要性能指標（對電網(wǎng)的適應(yīng)能力，輸出能力和可靠性）的優(yōu)劣、輸出功率等級、生產(chǎn)成本、不同的使用場合等方面做一下綜合性的比較，可以肯定，雖然這四種類型的UPS將并存下去，但必然會在使用過程中不斷改進技術(shù)，提高性能，當然，優(yōu)勝劣汰也是在所難免的。
但是，由于UPS功能概念發(fā)生了變化,對UPS硬件技術(shù)提出更高的要求,這種要求可用"實用、可靠"四個字來概括，換句話說，目前的UPS的各種性能指標，雖然基本上可以滿足作用者的要求，但還有很多局限性和不足之處。
UPS做為一級供電設(shè)備，在性能指標方面，應(yīng)該滿足哪些供電設(shè)備（使用者）的要求，應(yīng)該對負載做出什么樣的承諾呢，就目前情況看，這個問題既明確，似乎是不言而喻的事，但又存在著對使用者的誤導(dǎo)現(xiàn)象，造成在評價一臺UPS性能優(yōu)劣時的好壞不分、良莠不齊的現(xiàn)象。
下面的幾種傾向和觀點是值得研制生產(chǎn)者和使用者注意的：
1、 不應(yīng)該過分追求對常規(guī)指標的高標準要求
所謂常規(guī)指標，是指諸如輸出電壓穩(wěn)定精度、失真度、頻率穩(wěn)定精度、相差（三相）、電壓平衡度（三相）、轉(zhuǎn)換時間（后備式UPS以及在線式向旁路轉(zhuǎn)換）、動態(tài)響應(yīng)等，這些指標代表了UPS輸出電壓的質(zhì)量。事實上，當前各品牌的UPS在這些指標方面都已達到了很高的標準，對滿足負載的要求來說，已綽綽有余，是否可以這樣說，這些常規(guī)指標是供電設(shè)備輸電電壓指標性能必須具備但并不苛刻的條件，可是令人擔(dān)心的是，當前一些UPS廠家多以這些指標的高標準做為自己品牌的UPS的質(zhì)量標志，而用戶也常常以這些規(guī)格指標的優(yōu)劣做為評價和決定是否選購的條件。
2、 不應(yīng)該輕視甚至忽視對UPS輸出能力和可靠性的考察
UPS做為一級供電設(shè)備，首先要求它在復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下能正常投入運行，并且不對電網(wǎng)造成干擾和破壞；二是要全面的改善電網(wǎng)質(zhì)量；三是要考察它的輸出能力和可靠性。特別是*點和第三點，當前的UPS還有很多不足之處。對于電網(wǎng)環(huán)境，輸入電壓可變范圍不夠，（例如±15%）不能適應(yīng)我國電網(wǎng)電壓
變動幅度較大的實際情況，UPS輸入功率因數(shù)低（例如0.8左右），輸入電流諧波大（≥10%），對電網(wǎng)電壓有干擾和破壞作用，至于輸出能力，存在的局限更明顯，與真正的電網(wǎng)供電能力相比要差得多，例如對特殊負載，諸如強容性負載，強感性負載，非周期性沖擊負載，周期性沖擊負載，負載故障乃至人為誤操作故障所造成的對UPS輸出的破壞性威脅。如果直接用電網(wǎng)供電，電網(wǎng)容量以及配電部件（變壓器、開關(guān)、保險等）是可以承受的。而用UPS供電則沒有把握，事實上，UPS往往是在啟動過程和上述特殊負載和故障中損壞的。在使用中，使用者要用前級附加交流穩(wěn)壓設(shè)備解決UPS（特別是大功率UPS）允許電網(wǎng)電壓變化范圍不夠大的問題，至于輸入功率因數(shù)低和諧波電流大，只能無可奈何的任其存在了。在輸出能力方面，UPS廠家對負載提出了種種限制，例如輸出電流峰值系數(shù)（一般不能超過3:1）、非周期性沖擊負載（增加UPS配電容量）、負載功率因數(shù)（一般在0.8左右，使UPS標定的KVA≠KW）等，同真實的電網(wǎng)相比，這些限制是不應(yīng)該有的，這些限制反映了UPS輸入輸出能力的局限性，應(yīng)該說，輸出能力和可靠性才是UPS硬件技術(shù)zui關(guān)鍵的指標。
3、 關(guān)于轉(zhuǎn)換時間的問題
廠家的宣傳和媒介的誤導(dǎo)，使用戶錯認為在線式UPS沒有轉(zhuǎn)換時間，沒有轉(zhuǎn)換時間的UPS的性能就高人一等。這是一種偏見，請看下面兩個事實：
*：后備式UPS只在市電掉電一種情況下存在轉(zhuǎn)換時間，而在線式UPS不僅在逆變器故障時存在逆變====旁路的轉(zhuǎn)換時間，由于逆變器輸出能力有局限，當負載故障、過載和啟動時（存在沖擊電流）也存在向旁路的轉(zhuǎn)換時間。
第二：當負載輸入端存在整流濾波電路（例如計算機）時，負載輸入電流只在正弦波電壓峰值時存在，電流脈沖寬度只有3-4ms（與負載量及電路參數(shù)有關(guān)），也就是說, 每10ms期間，就有6-7ms是斷電的，每秒鐘要斷電100次，從這個意義上看，不間斷電源是不存在的，或者說是不必要的。問題在于UPS轉(zhuǎn)換時間的大小，一般計算機輸入整流濾波電路的貯能可維持負載供電的時間為幾十毫秒。而目前后備式UPS的轉(zhuǎn)換時間都能控制在4ms以下，對負載基本上不造成任何影響。
4、 關(guān)于UPS的輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波
雙逆變在線式UPS，其AC/DC逆變器多為整流濾波電路，它的輸入功率因數(shù)低，一般只在0.8左右，輸入電流諧波大，可達30%，加專門濾波措施后，也僅能降到10%。輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流則干擾破壞電網(wǎng)，特別是三相大功率UPS。這兩項指標的危害很大，形成所謂的電力公害，使由同一電網(wǎng)供電的變壓器、電動機、電容器等產(chǎn)生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化；引起異步電動機轉(zhuǎn)矩降低，振動加劇，噪聲增大；引起繼電器和自動裝置誤動作；高次諧波對通訊線路、測量儀器產(chǎn)生輻射干擾；影響電能計量的精度等。所以，UPS的輸入功率因數(shù)和輸入諧波電流應(yīng)被視為重要性能指標之一，應(yīng)該把輸入功率因數(shù)>0.95，輸入電流諧波<5%，做為判定UPS性能指標是否合格的標準之一。
5、 關(guān)于UPS的頻率穩(wěn)定度
UPS的輸出的常規(guī)指標中有頻率穩(wěn)定精度一項，特別是雙逆變在線式UPS，把此指標標定為<±1%（甚至是0.1），但這只是在市電掉電后由電池供電時的情況，UPS萬分之九十九的時間是在有市電的情況下運行時，此時UPS無頻率穩(wěn)定可言。在線式UPS為防止由逆變器轉(zhuǎn)旁路時因逆變器輸出短路而損壞，在正常運行時，要求逆變器工作頻率和相位都是要跟蹤輸入電網(wǎng)電壓的，所以標識UPS頻率穩(wěn)定的高指標是沒有意義的，況且，一般電子設(shè)備在輸入電源頻變化范圍為±3%時絲毫不影響其正常工作。
6、 關(guān)于效率與可靠性
UPS的工作效率高時，意味著節(jié)省電能，是綠色電源的標識之一。但還應(yīng)該注意到效率與可靠性是密切相關(guān)的，效率高意味著電路技術(shù)先進，元器件選用得好，意味著功率器件功率損耗小，功率強度小，溫度低，這必然會增強元器件乃至整機的壽命和可靠性。
7、 輸出能力與可靠性
輸出功率因數(shù)、輸出電流波峰系數(shù)、輸出過載能力、輸出不平衡負載的能力等指標，直接反映了UPS的輸出能力，對這些指標的限制，說明了UPS輸出能力的局限性和脆弱的一面，盡管在配置UPS容量時盡可以使負載量滿足UPS的要求，甚至留出很大的余量，但這些指標卻直接反映了UPS的可靠性。過載能力強的，允許輸出電流波峰系數(shù)高的，對負載功率因數(shù)限制小的，在同樣電網(wǎng)環(huán)境和負載條件運行其可靠性必然高這是毋容置疑的道理。 希望以上技術(shù)對您有所幫助.
專業(yè)供應(yīng)菲尼克斯UPS電源