不間斷電源UPS對設備的保護

文/[美]理查德·卡德納 編譯/施 端

（1.上海戲劇學院，上海 200040）

怎樣才稱得上是完美的控制室？它要有很大的面積，能放得下星巴克咖啡、筆記本電腦、4臺大尺寸監(jiān)視器、控制臺和1把美觀舒適的座椅，還有頭戴式耳機。此外，所有控制室都應該配備不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，簡稱UPS）。它相對廉價，易于操作、安裝，可以保護設備免受損壞，確保演出順利進行。

也許有人認為它只能算作額外的設備，還要浪費更多的錢。專業(yè)人士則認為并非如此，UPS是必不可少的。

電氣設備的隱患

人們每天使用的電網(wǎng)似乎是“一處風平浪靜的地方”，而其實它好比“一片遭遇狂風暴雨襲擊的海洋”。當測量電壓時，讀數(shù)好像是恒定的，它可能看上去很穩(wěn)定，但事實上卻始終處于波動狀態(tài)。很多情況都會引發(fā)浪涌、尖脈沖和其他波動，其中任何一種情況都會損壞或徹底摧毀價值達25萬美元的音響系統(tǒng)或10萬美元的控制臺，而筆記本電腦也正受其支持。

電網(wǎng)干擾隨時都在發(fā)生，存在安全隱患，比如：兩根火線不慎碰到一起，或者火線不慎與大地相碰，又或傳輸線突然跳閘（這是十分常見的情況），又或雷電直接擊中電網(wǎng)或其附近。有時，干擾并非來自浪涌電壓，而是具有破壞性的電壓突降。例如很多人同時打開空調，或雷電會經(jīng)傳輸線進入設備，任何一種情況都會引發(fā)欠壓或停電事故。

對于所有的現(xiàn)場專業(yè)音響設備而言這都是一場突如其來的考驗。如果電網(wǎng)欠壓，且處理器自行關閉，而功放依然處于運行狀態(tài)，這會導致怎樣的后果？揚聲器會啪啪作響。當失電時，尚未備份的數(shù)據(jù)將何去何從？噗的一聲，它們會消失得無影無蹤。

為了避免電氣干擾問題，最佳方法之一就是確保所有對電氣干擾敏感的電氣設備都由具有浪涌保護功能的UPS來為其供電。UPS可按功能分為后備式、在線互動式和在線式，也就是根據(jù)其由電池提供的直流電轉換為常用交流電的方式不同來分類。選用哪種類型應取決于被保護對象及其使用方式。家里或辦公室最常用的是后備式UPS。

解析UPS

為了一探究竟，筆者親自拆解了1臺UPS——CyberPower公司的CPS325SL，輸入：120 V（美國、日本供電標準電壓的上限）、10 A、60 Hz。它有4個輸出端，其中2個輸出端帶有備份電池，而另2個輸出端具有過載保護功能，但不帶有備份電池。該設備輸出：120 V、約0.325 VA、2.7 A、60 Hz、185 W。以下內(nèi)容是這臺適用于燈光控制臺或調音臺的桌面式UPS的構造及其工作原理，這一切都基于筆者對這臺CyberPower CPS325SL的拆解。

額定電壓很容易理解，筆者或許要對VA（伏安）做一些解釋。VA是“視在功率”的單位。只需把電壓乘以輸出電流就能得到它。使用視在功率而不是功率的原因在于有些負載的功率因素不高，其電流數(shù)值比使用交流電的功率計算公式得到的電流數(shù)值要大。

例如：有一臺LED燈具，它的功率為185 W，但其功率因數(shù)約為0.5。如果不考慮功率因數(shù)，那么，使用交流電的功率計算公式可得到：

P = UI×PF（PF——power factor，即為功率因數(shù)）

（如不考慮功率因數(shù)）：185 W=120 V×I

I=1.54 A

而實際情況是，該設備的工作電流約為3 A，因為事實上其功率因數(shù)為0.5。

185 W=120 V×I×0.5

該電氣參數(shù)并沒有對電源的額定功率提出更高要求，而是對它允許通過的最大電流提出了要求，考慮到一定數(shù)值的電流流過內(nèi)部的電阻時會產(chǎn)生足夠的熱量，會導致絕緣層損壞，比如絕緣層立刻融化，或者絕緣層會變得很脆弱，遲早要開裂。因此，如果被給出的是功率而不是視在功率，則必須假定一個功率因數(shù)；否則，可能會連接一臺功率因數(shù)不高的用電設備，雖然其額定功率與電源的額定功率一樣，但卻會使電源處于過載工作狀態(tài)。

此外，從嚴格意義上說，該設備參數(shù)的標示不夠規(guī)范。它這樣標示為：120 V、0.325 VA、2.7 A，其實應該這樣標示：0.324 kVA或324 VA (120 V×2.7 A = 324 VA)。犯了一個小錯誤就差了三個數(shù)量級。

暫且不談這些額定量，后備式UPS用于抑制浪涌電壓和降低電氣噪聲，并經(jīng)常使用密封式鉛酸電池作備份電源。噪聲濾除和共膜干擾是后備式UPS的首要作用。

噪聲濾除由電容器來實現(xiàn)。沿著電源線看過去，在手動復位的10 A電路斷路器之后，第一個元件就是1個并聯(lián)在壓敏變阻器兩端的電容器。電容器的作用是濾除線路上的高頻噪聲。電氣噪聲是由電源電路附近的電氣設備或高頻開關的感應而產(chǎn)生的（開關產(chǎn)生電流突變，電路中的分布電感阻止其突變，產(chǎn)生突變電壓，即為噪聲電壓）。例如：如果某人把一臺真空吸塵器接到這臺UPS附近的電路上，它就會產(chǎn)生高頻電磁干擾，干擾信號會被電路所吸收，不會進入所有接到這臺UPS上的設備中。

電容器用于濾除高頻噪聲，其容抗（電抗的一種）與頻率成反比，即：頻率越高，阻抗越小。它的計算公式為：

上式中的X表示電抗，單位是Ω（歐姆）（可以把電抗看成電阻，這里只是把電阻換成了電容，它與電阻一樣，同樣對電流具有阻礙作用），π為3.14，f表示電網(wǎng)頻率（60 Hz，比如北美；或者50 Hz，如歐洲國家和澳大利亞），C表示電容量，單位是F（法拉）或μF（微法拉）。

該圖中的電容型號為JNC JY472M，電容值為0.004 7 μF（0.000 000 004 7 F）。如果代入正確的數(shù)值，就會得到在60 Hz頻率的電網(wǎng)中它的電抗約為564 665 Ω。它的阻抗很大。由于該元件連接于線路與大地之間，當工作于120 V、60 Hz的電網(wǎng)上時，會有0.21 mA電流流向大地。但是，如果電網(wǎng)頻率更高的話，比如100 kHz，那么阻抗會降到339 Ω，且漏電流為354 mA，應該足以濾除掉噪聲了。

壓敏變阻器可有效吸收浪涌電壓并把電壓限定在某數(shù)值以下，以保護所有接到UPS上的用電設備免受損壞。它連接于線路與大地之間，當浪涌電壓出現(xiàn)時，它會抑制對地電壓。這個過程中壓敏變阻器可能要“犧牲”自身：當線路上的浪涌電壓高到一定程度時，壓敏變阻器會像鞭炮一樣發(fā)生爆裂。

圖1 藍色的電容器用于濾除高頻噪聲，琥珀色的壓敏變阻器用于吸收浪涌電壓所產(chǎn)生的能量。

圖2 （左圖）在交流電正半周，電流沿紅色路徑流動；（右圖）在交流電負半周，電流沿綠色路徑流動。

圖3 橋式整流器輸出的是脈動直流電流。

圖4 電池電源上的電壓波形和電流波形。負載為500 W的白熾燈。

其后有一個由線電壓供電的充電裝置，作用是將交流電轉換成直流電，來為機內(nèi)電池充電；還有一個逆變器，當失電時，它會將電池提供的直流電轉換回交流電。

交流電轉換成直流電相對而言比較簡單。首先，由變壓器把120 V電壓降到約12 VA交流電壓。變壓器的輸出端與4個二極管接成的全波橋式整流器相連。它把交流波形轉換成單向全波整流波形。在交流電正半周，電流沿一條路徑流動，經(jīng)橋式整流器和負載回到電源。在交流電負半周，電流沿另一條路徑流動，經(jīng)橋式整流器和負載回到電源。但是，在兩個半周，通過負載的電流方向是相同的，因此，從本質上說，橋式整流器把負半周的電流反了個向，使其為正，這樣就把交流電轉換成了脈動直流電。

把電流轉換成脈動直流電后，再用電容器來減少其脈動程度，當外加電壓升高時，電容器處于充電狀態(tài)，而當電壓下降時，電容器維持其充電電壓。這樣就把脈動直流電轉換成了略有起伏的直流電，其波動程度微乎其微。最后再用LM317T穩(wěn)壓管來把電壓維持在恒定狀態(tài)。

直流電直接為電池供電，使其保持在充電狀態(tài)，以便在失電時，逆變器可以把由電池提供的直流電轉換成某種形式的交流電。在這里術語“逆變器”源自：處于反向工作狀態(tài)的交流—直流變換器。從“順變”到“逆變”的關鍵所在是這對呈微型方糖狀的單刀雙擲（SPDT）繼電器。它們屬于干觸點式繼電器，當探測到失電時，它能在電網(wǎng)電源和電池電源之間做切換。

在電池供電模式下，逆變器電路開始工作，向所接負載提供交流電。但是，與把交流電轉化成直流電相比，把直流電轉換成交流電就要復雜得多。實現(xiàn)方法有很多，有些方法十分簡單，但不會產(chǎn)生正弦波，而有些方法的確產(chǎn)生正弦波，但要復雜得多，而且需要付出更多成本。

事實證明，筆者正在拆解的這臺UPS屬于第一類。其實，它產(chǎn)生的是方波，UPS制造商喜歡把它稱為“修正正弦波”，但其實它根本就不是正弦波。電壓從0 V變到約+175 V，接著回到0 V，然后再變到-175 V，頻率為60 Hz。說它是一個修正正弦波，如同方盒子是修正球體那樣。筆者認為把它稱為“修正方波”要更為準確一些，但是作為一個營銷術語，則顯得略遜一籌。

然而，只有當接上某些負載時，該波形的工作狀態(tài)才保持良好；如接上其他一些負載（尤其是感性負載，這類負載會因修正波供電而發(fā)出巨大熱量，從而降低了壽命），其工作狀態(tài)欠佳。還有其他一些UPS，它們可產(chǎn)生失真度極小的正弦波。通常，這些設備中有集成電路、產(chǎn)生波形的計時芯片和MOSFET管（金屬氧化物半導體場效應晶體管），該晶體管可以控制大電流并在帶負載情況下切斷電路，該電路可以在高頻狀態(tài)下開關。正弦波逆變器類似于帶有一些輔助線路的開關電源。

市場上有許多UPS正弦波逆變器，其中有些產(chǎn)品的質保范圍涵蓋所接設備。例如：Tripp Lite公司的HTR10-2U質保范圍涵蓋價值達25萬美元的所接設備，CyberPower公司的CP1000PFCLCD質保范圍涵蓋價值達35萬美元的所接設備，Juice Goose公司的NXRT-Pro系列產(chǎn)品提供5萬美元，用于所接負載的有限責任。

MA Lighting公司的grandMA等燈光控制臺帶有內(nèi)置的備份電池。當失電時，備份電池開始工作，使控制臺保持運行狀態(tài)，利用這段時間進行保存現(xiàn)場工作、備份數(shù)據(jù)到外存和關機等操作可謂綽綽有余。當一臺grandMA控制臺的UPS電池充滿電，一代控制臺可以用10分鐘，二代控制臺可以用7分鐘左右。不過由于它不具備電源調節(jié)功能，因此，依然應該為其配置浪涌保護裝置。

應該根據(jù)所需連接的負載大小、電池電源續(xù)航時間以及所需輸出端數(shù)量、是否需要在線監(jiān)測等功能來選擇相應容量的UPS。UPS中電池的容量用AH（安培小時）來衡量。只需把電流（單位：安培）乘以時間（單位：小時）就可算出所需容量。例如：如果控制室總共需要3A電流，并且想讓它運行30分鐘，那么需要1臺容量1.5 AH（3 A×0.5 H = 1.5 AH）的UPS。

選擇UPS方波逆變器還是UPS正弦波逆變器應視被保護設備而定。如果所接的是感性負載，也就是說如果它帶有變壓器、鎮(zhèn)流器、扼流圈或線圈（比如電機），那么應該考慮花費更多的錢來購買UPS正弦波逆變器。如果使用的是1臺UPS非正弦波逆變器，那么，只能確保所接設備不會處于過熱運行狀態(tài)，這表示它們并非處于最佳運行狀態(tài)，有可能會過早損壞。