穩壓電源和UPS在電網中的應用

于忠剛

摘 要：本文從穩壓電源和UPS的工作原理、使用場所、配置方案等方面分析了兩類設備的不同及優缺點，為不同使用著選擇更好的電源解決方案提供參考。

關鍵詞：穩壓電源;UPS;工作原理;配置方案

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0143-02

0 引言

當今社會，隨著科技水平的不斷發展，設備對電源質量的要求越來越高。在電網環境惡劣的地區及對電源質量要求較高的使用場所，為了保障設備正常運行，避免因電網不穩定對設備造成損傷，我們通常會在用電設備前端增設穩壓電源和UPS，但在上述兩種設備的使用過程當中，常常會出現一些使用誤區，本文我們就對兩種設備的工作原理，使用場所，及使用注意事項進行講解。

1 工作原理

1.1 穩壓電源的工作原理

穩壓電源又叫電源穩壓器，顧名思義，其主要作用是對電網電壓進行優化，用以保障用電設備的正常運行。

我們使用的用電設備，一般都會有一定的電壓承受范圍，以我們國內電壓標準來講220V/380V市電電壓一般設備允許承受的電壓波動范圍都不會超過±10%，尤其是通信機房、數據中心等精密用電場所，對電源質量要求更高。但在電網環境惡劣的地區，例如農業電網、有大型用電設備運行的電網、雷雨氣候頻繁的地區等，電壓波動常常會超出這個范圍，在此情況下我們就需要在用電設備前端增加電源穩壓裝置。

穩壓電源除了基本的穩定電壓功能之外，還具有過壓保護、欠壓保護、缺相保護、短路過載保護等其他保護功能。

其主要工作原理如圖1所示，電源連接用電負載后，通過采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準電壓進行比較。如果輸出電壓小于基準電壓，則將誤差值經過放大電路放大后送入調節器的輸入端，通過調節器調節使輸出電壓增加，直到和基準值相等;如果輸出電壓大于基準電壓，則通過調節器使輸出減小。

常見穩壓電源的穩壓范圍一般為±20%，穩壓精度可至±2%以內，以我國工業用電標準380V為例，可實現304V至456V電壓波動區間內穩壓，將電壓波動保持在372V至388V之間，在惡劣的電網環境下，通過其優異的適應能力，可極大的保障后端用電設備的正常運行。

1.2 UPS的工作原理

UPS即不間斷電源，英文全稱為Uninterruptable Power System，相較于穩壓電源來講，UPS的工作原理更加復雜一些。

UPS種類很多，我們此次主要講解常用的在線式UPS，其主要工作原理如圖2。

圖2中可以看到，在線式UPS主要由整流器、蓄電池、逆變器三部分組成。

正常工況下，市電輸入后通過整流器將交流電轉變成直流電，直流電輸送至逆變器，在此同時給蓄電池充電，逆變器將輸入的直流電逆變為交流電給負載供電。在此過程中，輸入的市電一直處于整流→逆變的過程，經過處理的電源為潔凈的無任何干擾的正弦波，因此此類UPS稱之為在線式UPS。

當市電斷電或超出UPS工作范圍時，UPS整流器停止工作，轉變為蓄電池輸出直流電，直流電輸送至逆變器后逆變為交流電給負載供電，同時報警提示用戶市電出現異常;當市電回復正常后，會自動跳轉為整流器工作。上述整流器與蓄電池之間切換跳轉的時間一般低于4ms，不足1/4周波，實現了不斷電切換，這也是該設備不間斷電源名稱的由來。

UPS功能性較穩壓電源更加完善，一是我們上文提到的，可以為重要負載提供不間斷供電，防止突然斷電造成的損害，例如重要數據丟失等;二是消除污染，改善電源質量，除了穩壓電源具有的功能外，UPS還具有穩定頻率、消除諧波干擾、改進浪涌噪聲等功能，使電源質量更加優良，使負載電子部件免受摧毀性損壞。

常見的UPS穩壓范圍不如穩壓電源，一般為市電電壓的±10%左右，但其穩壓精度卻比穩壓電源更高，可低于±1%。

UPS對自身工作環境要求較高，正常情況需要保障UPS電源室環境為恒溫恒濕，特殊情況還需配置精密空調;蓄電池占用空間較大，且電池使用壽命受電網環境影響較大。

2 使用場所

通過上文對穩壓電源和UPS工作原理的簡單闡述，我們可以基本可以分析出它們適用的不同場所。

2.1 穩壓電源的適用場所

穩壓電源造價較底，自身對工作環境要求不高。主要應用于用戶對電源電壓穩定性有要求，但對供電不間斷性要求不是很高的場所。電壓不穩定的區域尤其是電網質量較差的區域均可配置穩壓電源。例如工礦設備等，主要保障設備正常運行。

2.2 UPS的適用場所

UPS使用成本較高，自身對工作環境要求比較高，單獨使用時主要應用于用戶對電源質量要求較高，且要求供電可靠、不允許突然斷電情況發生的場所，例如通信系統、航空管理、醫院、證券、工業控制等。在一些要求更高的場所，一般還考慮使用多臺UPS進行備份的方案，最大程度保障供電。

2.3 組合使用

因為穩壓電源穩壓范圍更大，而UPS同時具有穩壓、電源凈化、不間斷等優異性能，在電網質量較差，但對電源質量要求又較高的場所這兩種設備往往會組合使用，使用原理如圖3。

圖3我們可以看到，穩壓電源接入UPS的市電輸入前端，其主要工作原理及優點為：

（1）在電壓波動較大的區域，穩壓電源作為UPS的上一級保護電源，先行將電壓波動控制在±2%范圍內，UPS進一步對電源進行凈化處理，將穩定、潔凈的電源供給用電設備。避免因電網電壓超出UPS的電壓工作范圍，導致UPS頻繁跳轉為蓄電池供電，減少蓄電池充放電次數，增加其使用壽命。

（2）當穩壓電源出現故障時，其自身停止工作并跳至旁路運行，此時UPS擔當穩壓、凈化的功能，如果在此期間電網電壓波動超出了UPS工作電壓范圍，會轉為蓄電池供電，當電壓穩定后自動轉為UPS在線供電。

（3）當電網電壓超出穩壓電源工作范圍的時候，穩壓電源自身停止工作跳至旁路運行，此時UPS因超出工作電壓范圍，同時會轉為蓄電池供電，當電壓穩定后自動轉為UPS在線供電。

上述方案重復發揮了穩壓電源和UPS的各自的功能優勢，是目前使用范圍最廣的電源解決方案。

3 使用誤區

在電源解決方案的選擇上常常會出現一些誤區。在南海某項目實施過程中，發現了使用單位采用了其他的配置方案如圖4。

從圖4中可以看到，該使用單位將穩壓電源接入了UPS的旁路，我們可以分析一下該配套設施的使用工況情況：

（1）當市電斷電或電源超出UPS工作范圍的情況下，UPS轉為蓄電池供電，市電恢復后UPS持續工作。

（2）蓄電池放電完畢后，UPS跳轉為旁路工作，因旁路接入了穩壓電源，由穩壓電源對電源質量進行處理。

通過分析工況我們可以看到，因為UPS前端缺少穩壓電源的保護，很可能由于市電電源質量差導致UPS頻繁跳轉為蓄電池供電。一方面大大縮減了蓄電池的使用壽命，同時會導致蓄電池放電結束轉為旁路供電，雖然接入旁路的穩壓電源可以對市電電壓進行處理，但處理后的電源質量遠遠劣于UPS處理性能，對后段負載設備的使用存在一定的隱患。

后來在我們的建議下，使用單位更改了配置方案，將穩壓電源接入UPS輸入前端。

4 結語

隨著科技的不斷進步，電源解決方案也在不停的變化。比如現在歐美地區，因其電網質量優良，為了節約能耗不建議使用在線式UPS而改為后備式，主要使用UPS的不間斷功能，而不再使用其在線電源凈化的功能。我們也在不斷優化電網質量的同時，選擇更經濟、更環保、更可靠的、更適用的電源解決方案。

參考文獻

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