UPS電源技術探討

摘要：隨著UPS向更微小型及可靠性的方向發展，網絡智能化UPS技術和全數字化UPS技術也帶來了沖擊，意味著能夠給網絡電源提供更節能、更環保的電源管理。本文根據多年工作實踐，對UPS電源技術的原理及優缺點進行闡述。

關鍵詞：UPS；逆變器；維護

一、UPS工作原理和操作方式

（1）典型的UPS系統框圖如圖1所示

它的基本結構是一套將交流市電變為直流電的整流器和充電器，以及把直流電再變為交流電的逆變器，電池在交流電正常供電時貯存能量且維持在一個正常的充電電壓上，一旦市電供電中斷時，蓄電池立即對逆變器供電以保證UPS電源交流渝出電壓。下面幾種簡圖示意了UPS的各種工作情況（以在線式UPS電源為例）。

①市電在UPS所允許的范圍內正常供電時，如圖2所示，粗線描繪了電源能量的流向。

②主電源故障即市電被切斷后，電源將瞬間改由逆變器提供能量如圖3所示。

③當所帶負載過大或電源內逆變器出現故障時，UPS將打開旁路由主電源直接供電，如圖4所示。

（2）UPS電源的操作方式

①后備式：當UPS電源處于市電正常供電時，由市電直接向計算機系統提供電源，當市電供電中斷時，電池才對逆變器供電，并由UPS電源的逆變器對計算機系統提供交流電源。也就是說，UPS電源的逆變器總是處于對計算機系統提供后備供電的狀態。

②在線式：它平時是由市電經由整流器、逆變器對計算機系統提供電源。只有當蓄電池放電完畢時，才由內部控制線路發出信號控制自動切換環關，轉換成市電供電。因此，對在線式UPS電源而言，在正常情況下它總是由UPS電源的逆變器對計算機系統供電。

③兩種方式的比較：由于在線式UPS電源能夠避免掉所有由電網而帶來的電壓波動及干擾影響。其供電質量明顯優越于后備式UPS電源，因此其價格也貴得多。

二、UPS電源的各種連接方式

（1）單臺UPS電源能夠供給全部負載，連接圖如系統的原理圖，連接方法較簡單。

（2）總負載功率需要二臺或更多臺UPS電源供給，如圖5所示，這種連接方式稱作并聯無備份方式。

（3）二臺或二臺以上UPS電源其總容比負載總容里要多，但該系統比負載總容量必須多一臺UPS電源的容量，任何一臺UPS電源故障時，其余仍能供給全部負載，如圖6所示。這種連接方式稱作并聯有備份方式。

（4）整個UPS電源系統出現故障后，市電將UPS電源脫開，直接接通負載，且不影響UPS電源系統的維修，這種線路設計如圖7所示。

當UPS電源系統無故障時，維修開關打開，輸入開關、輸出開關閉合；o當UPS電源系統故障時，維修開關閉合，輸入開關、輸出開關打開。這樣，保證了用電負載的正常工作，而又不影響對UPS電源系統故障的在線維修。

三、UPS的主要技術指標

新型UPS中的逆變器大多采用了PWM技術，同時采用了石英晶體振蕩控制逆變器的頻率，通過電壓負反饋電路確保輸出電壓的穩定。它具有開關電源的一系列優點，通過精確調整脈沖寬度，保證功率穩定輸出，同時，開關電源技術的應用，也使其自身損耗大大降低。主要技術指標如下：（1）額定輸出功率和最大輸出功率；（2）切換時間；（3）輸出電壓穩定度，參考值±0.5% ～±2%；（4）輸出頻率穩定度，參考值±0.01% ～±0.5%；（5）輸出波形純正（正弦波輸出），電壓畸變小于1%，不存在潛波失真的問題；

（6）效率高、損耗低。參考指標高于90%；

（7）故障率低、維護容易。由于微處理器監控技術和先進的IGBT驅動型SPWM等高技術的采用，目前的UPS已達到了極高的可靠性水平，對于大型UPS電源來講，其單機的年均無故障工作時間（MTBF）已超過20萬小時。如果采用雙總線輸出的多機/冗余0型UPS供電系統，其MTBF甚至可達1000萬小時數量級。

四、UPS應用中的注意事項

UPS智能化程度高，儲能電池采用了免維護蓄電池。這雖給使用帶來許多便利，但在使用過程中還應在多方面引起注意，才能保證安全。

（1）UPS主機對環境溫度要求不高，5～40e都能正常工作。但要求室內清潔、少塵，否則灰塵加上潮濕會引起主機工作紊亂。儲能蓄電池則對溫度要求較高，標準使用溫度為25e，平時不能超過15～30e的范圍。溫度太低，蓄電池容量會下降。溫度每下降1e，容量下降1%。其放電容量會隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫條件下長期使用，溫度每高10e，電池壽命約降低50%。

（2）設置的主機參數在使用中不能隨意改變，特別是電池組的參數。如果改變，就會直接影響使用壽命。隨著環境溫度的改變，對浮充電壓要做相應調整。通常以25e為標準，環境溫度每升高或降低1e時，浮充電壓應增加18mV（相對于12V蓄電池）。

（3）只靠UPS自行供電時，應避免帶負載啟動UPS，首先應切斷各負載，直到UPS起動后再開啟。負載瞬間供電時會沖擊電池，多負載的沖擊電流加上所需的供電電流會造成UPS瞬間過載，嚴重時將損壞變換器。

（4）合理設置UPS負載量。一般來說，UPS既不宜長期滿載運行，也不宜長期處于負載過輕的狀態下運行。前者容易造成UPS逆變器及整流濾波器的損壞，而后者容易造成UPS中的蓄電池損壞。UPS的負載量受幾方面影響，其中負載功率因數取0.9左右，微帶電容性負載最為理想。如：流入微機開關電源中的300V直流高壓濾波電容中容性電流增大，易造成電容因長期過流而失效，有時會損壞開關電源的功率管，會造成顯示器上的圖形抖動和扭曲。

（5）UPS所帶負載性質，除了不宜為感性負載，還不宜在UPS輸出端帶大功率可控硅負載、可控硅橋式整流負載和半波整流負載。如果在UPS輸出端帶有相控式的大功率（負載超過UPS額定負載的50%）晶閘管負載或半波整流性負載時，UPS的故障率會明顯增加。主要表現為：逆變器末級驅動功率晶體管或MOS管將燒毀，有時還會造成蓄電池因末級驅動功率晶體管擊穿短路而損壞。

（6）由于電池組電壓很高，存在電擊的危險，裝卸導電連接條、輸出線時應注意安全保障，對工具應采用絕緣措施，特別是輸出接點應有防觸摸措施。

（7）不論是在浮充工作狀態還是在充電、放電檢修測試狀態，都要保證電壓、電流符合正常運行的要求。過高的電壓或電流可能會造成電池的熱失控或失水，電壓、電流過小會造成電池虧電。這些都會影響電池的使用壽命，前者的影響更大。

（8）在任何情況下，都應防止電池短路或深度放電，因為電池的循環壽命和放電深度有關。放電檢修中，放電為容量的30% ～50%就可以了。

（9）應避免電池大電流充放電。雖說在充電時可以接受大電流，但在實際操作中應盡量避免，否則會造成電池極板膨脹變形，極板活性物質脫落，電池內阻增大，溫度和升高，嚴重時將造成容量下降，壽命縮短。

（10）放置UPS的地方必須良好通風，遠離水、可燃性氣體和腐蝕劑，環境溫度保持0～40e之間，若是在低溫下拆裝使用，可能會有水滴凝結現象，一定要等待UPS內外完全干燥后才可安裝使用，否則有電擊危險。

（11）UPS電源不宜側放，應保持進風孔與出風孔通暢；負載與UPS電壓連接時，須先關閉負載，再接線，然后逐個打開負載，嚴禁將電機、日光燈、復印機等感性負載接入UPS，以免造成傷害。需接激光打印機時，因其運行時啟動功率較大，選擇UPS時，其容量要以啟動功率來計算。

（12）將UPS接到專用的帶有過電流保護裝置插座上，所用電源插座應接保護地端；無論輸入電源線是否插入市電的相線與中性線位置必須符合規定。保證UPS電源輸入、輸出插座均符合我國交流電輸入插座的連接方式，如不符合，則需要更換中性線與相線位置，否則，易造成UPS電源或負載設備損壞。

（13）UPS電源一旦接通市電，即開始對電池組充電，持續按開機鍵1s以上進行開機，即開啟逆變器。開機時UPS會自檢，然后啟動旁路，經幾秒鐘轉換到逆變器輸出，當逆變輸出指示燈亮，UPS已處于市電模式；持續按關機鍵1s以上，在市電時進行關機，即關閉逆變器，關機時UPS進行自檢，逆變指示燈熄滅，此時UPS無輸出電壓，但繼續對電池組充電。無市電輸入，按開機鍵3s以上啟動，UPS先進行自檢，然后轉到逆變器輸出，此時市電指示燈不亮，電池指示燈會亮；持續按關機鍵1s以上關機。關機時，UPS會進行自檢，直至面板無顯示，UPS才無輸出電壓。

五、結束語

隨著電子器件的發展，網絡智能化UPS技術和全數字化UPS技術的出現，不僅提供完全可靠的網絡電源管理，也為節能、環保提供了一種最佳的解決方案。隨著科學的進步，UPS電源技術在不久的將來會開辟一個更新的領域。