一、UPS電源工作原理

    UPS電源按輸出波形可分為方波輸出和正弦波輸出兩大類。按其操作方式可分為后備式和在線式。其中后備式UPS電源，在市電正常供電時(shí)，由市電直接向負(fù)載提供電源。當(dāng)市電供電中斷，蓄電池才對逆變器供電，并由UPS的逆變器對負(fù)載提供交流電源。即UPS電源的逆變器總是處于對負(fù)載提供后備供電狀態(tài)。而對在線式的UPS電源來說，它平時(shí)是由交流電→整流→逆變器方式對負(fù)載提供交流電源，一旦市電中斷時(shí)，UPS改由蓄電池→逆變器方式對負(fù)載提供電源。只有當(dāng)蓄電池放電至終了電壓時(shí)，由控制電路發(fā)出信號去控制自動切換開關(guān)，轉(zhuǎn)換成由另一路交流旁路的市電供電。市電恢復(fù)供電后，UPS又重新切換到由逆變器對負(fù)載提供電源。因此，在線式UPS電源，在正常情況下，總是由UPS電源的逆變器對負(fù)載供電，這就避免了所有由市電電網(wǎng)帶來的任何電源波動及干擾對負(fù)載供電所產(chǎn)生的影響。顯然，它的供電質(zhì)量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。在線式可以實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電。然而，后備式UPS電源由于運(yùn)行效率高，噪音低，價(jià)格相對便宜。

    二、UPS采用的先進(jìn)技術(shù)

    （一）采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），作為逆變功率器件

    其主要特點(diǎn)如下：

    大大降低逆變器換流損耗以及交流濾波器的損耗，因此，逆變器的效率提高，整機(jī)效率可達(dá)94%～96%；

    由于IGBT的開關(guān)頻率在20 KHz～50KHz，明顯提高了逆變器的性能，使輸出電壓諧波含量大為減少（<1.5%），動態(tài)響應(yīng)更好；

    IGBT用于電壓控制器，驅(qū)動電路簡單，同時(shí)它有正方形的開關(guān)安全工作區(qū)，并有高的峰值電流容量，使逆變器可靠性進(jìn)一步增加；

    由于IGBT逆變器的高頻化，減小輸出交流濾波器的尺寸，也相應(yīng)減小了損耗，使整機(jī)體積小，噪音低；

    高可靠，長壽命。

    （二）微處理器數(shù)字化控制

    控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)及模擬量計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，即通過主/協(xié)結(jié)構(gòu)完成系統(tǒng)控制。

    系統(tǒng)由整流/充電器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)3個(gè)協(xié)處理器單元和一個(gè)模擬量計(jì)算機(jī)單元承擔(dān)其所有的數(shù)據(jù)采集，模擬運(yùn)算功能調(diào)整等工作，然后送到主處理器進(jìn)行集中控制，綜合處理，記錄存檔和顯示最終處理信息。借助這種計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)，充分發(fā)揮其系統(tǒng)硬件和軟件特點(diǎn)，提高UPS實(shí)時(shí)控制、保護(hù)和監(jiān)測能力。

    （三）控制實(shí)施通道

    目前UPS的硬件系統(tǒng)基本上是由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)三大部分加上微機(jī)系統(tǒng)所組成，其數(shù)據(jù)采集是通過極為精確的霍爾器件，以及最新高速A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，最終納入?yún)f(xié)處理器和主處理器通道。根據(jù)UPS功能和用戶需要，這些信號將用來實(shí)現(xiàn)UPS控制，調(diào)整，監(jiān)測和保護(hù)之目的。

    分布在UPS三大部分的霍爾傳感器采集兩類信號：開關(guān)信號――主要反應(yīng)各部件開關(guān)操作，保險(xiǎn)開關(guān)操作，熱繼電器等的工作狀態(tài)；模擬信號――反映輸入、輸出、電壓、電流、頻率以及充電電壓、電流等參數(shù)。

    （四）高速數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

    UPS控制系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)處理的主/協(xié)結(jié)構(gòu)，增加數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)及數(shù)字控制診斷軟件，高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。UPS運(yùn)行異常往往反映在各主要波形異變上，因此，對于各點(diǎn)取樣的模擬信息必須先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成最終控制。

    （五）控制和診斷軟件

    控制軟件實(shí)現(xiàn)各類信號的采集，處理運(yùn)行狀態(tài)的自動監(jiān)測、調(diào)整以及管理功能。

    診斷軟件是故障診斷的專家系統(tǒng)。UPS出現(xiàn)異常后，該系統(tǒng)能迅速對故障進(jìn)行診斷，推理，判明故障部件，通過顯示器（或燈光，聲音）報(bào)告給使用者，以便維修。同時(shí)自動記錄信息，生成信息檔案。
   
    （六）電池自動測試與維護(hù)系統(tǒng)

    蓄電池是UPS的貯能裝置。由于電池故障引起UPS系統(tǒng)故障的比例較高，所以對蓄電池的測試及故障診斷，顯得尤為重要。電池測試維護(hù)軟件定期自動檢測電池性能參數(shù)，為使電池處于良好的工作狀態(tài)，每隔一定周期中斷UPS交流輸入，使電池組帶載放電，激活惰性，保持電池組原有容量。在電池放電時(shí)，自動檢測電池后備容量和電壓，顯示屏顯示檢測參數(shù)，當(dāng)電池組容量下降10%時(shí)，自動結(jié)束測試，以免過放電。若測得電池電壓高于或等于最佳值時(shí)，則顯示“電池正常”；反之，則顯示“電池故障”，并有聲、光報(bào)警，后備時(shí)間可能減少。

    三、提高UPS可靠性的幾種方法

    通常用兩臺或兩臺以上的單機(jī)，構(gòu)成雙機(jī)或多機(jī)UPS系統(tǒng)，提高電源供電的可靠性，使在單臺UPS發(fā)生故障的同時(shí)，不會發(fā)生UPS中斷供電的情況。下面幾種連接方式，是目前常見的幾種：

    （一）主/從串聯(lián)熱備方式

圖1 主/從串聯(lián)熱備方式

    早期一般采用這種方式，它的特點(diǎn)是連接成本較低，技術(shù)簡單，雙機(jī)冗余提高了UPS電源供電系統(tǒng)的可靠性，但存在一些弱點(diǎn)：

    1．UPS本身發(fā)生故障時(shí)，可能無法切換而造成輸出中斷

    當(dāng)UPS內(nèi)部電源板或電源模塊發(fā)生故障時(shí)，UPS會立即停止工作，輸出中斷。此時(shí)，UPS也不可能再從靜態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)向旁路。這種情況發(fā)生在主UPS機(jī)上，這時(shí)既使UPS是好的也無濟(jì)于事，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的供電將被中斷。

    當(dāng)UPS控制電路出現(xiàn)問題時(shí)，逆變器燒毀瞬時(shí)（此時(shí)不滿足切換條件）及一些其它原因，也可能會出現(xiàn)靜態(tài)開關(guān)打不開而造成中斷。
 
    2．切換瞬時(shí)輸出出現(xiàn)間斷

    UPS為保證輸出波形連續(xù)，采用先合后斷技術(shù)，即旁路通過靜態(tài)開關(guān)與逆變器輸出有一疊加過程，以保證輸出無間斷，但這兩路電壓必須滿足頻率，相位，電壓幅值完全一致，否則，將有可能造成切換過程中輸出的不連續(xù)。

    頻率正常的情況下，主UPS的負(fù)載一般為感性負(fù)載。從UPS為空載，而在電網(wǎng)頻率偏離UPS跟蹤頻率范圍時(shí)，UPS將啟動自身晶體振蕩器，由于兩臺UPS為獨(dú)立系統(tǒng)，無法進(jìn)行“鎖相”跟蹤，如在此時(shí)發(fā)生切換過程，輸出波形將會有更大 輸出間斷時(shí)間。特別在主UPS逆變器發(fā)生故障，強(qiáng)行切換時(shí)，由于無法進(jìn)行正常跟蹤，將有可能出現(xiàn)較大的間斷間時(shí)，甚至切換失敗。

    3．在供電系統(tǒng)中，增加了兩個(gè)公共故障點(diǎn)
   
    一旦主UPS靜態(tài)開關(guān)出現(xiàn)故障，此時(shí)又要求切換則會造成負(fù)載供電中斷。發(fā)生過載時(shí)，主/從UPS將依次轉(zhuǎn)旁路，這時(shí)UPS的靜態(tài)開關(guān)如出現(xiàn)問題，也將造成輸出中斷。

    4．設(shè)備使用效率低

    在整個(gè)供電過程中，始終有一臺UPS長期閑置不用，使用效率低，并且備份UPS的電池長期處于浮充狀態(tài)下，電池?zé)o法放電，電池壽命大大縮短?？梢栽黾右粋€(gè)主、從轉(zhuǎn)換裝置，定期將主機(jī)與從機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對主從機(jī)的電池輪流充放電，解決此問題。但是在主從轉(zhuǎn)換過程中，從機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)切換過程，負(fù)載量將從0突變到100%，整流器和逆變器將受到大電流沖擊，易于損壞，影響正常輸出，甚至斷電。

    5．維修困難

    當(dāng)主機(jī)發(fā)生故障，切換到從機(jī)供電時(shí)，用戶負(fù)載不能停機(jī)，無法關(guān)閉UPS進(jìn)行維修。一旦從機(jī)出現(xiàn)故障，會造成整個(gè)供電系統(tǒng)中斷。

    （二）初級式并聯(lián)

圖2 初級并聯(lián)式

    初級并聯(lián)方式是幾臺（一般兩臺）UPS共用一組靜態(tài)旁路開關(guān)，同時(shí)增加并聯(lián)柜以平衡負(fù)載電流方式實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。

    由于一般UPS控制系統(tǒng)多為模擬反饋電路，其輸出參數(shù)及特性隨溫度、元件參數(shù)及器件的老化而漂移，同時(shí)由于各UPS一致性較差，故這種類型的UPS無法直接并聯(lián)。為了提高供電系統(tǒng)可靠性，需要將UPS并聯(lián)使用時(shí)，為確保各并聯(lián)UPS之間輸出參量的一致性，達(dá)到同步運(yùn)行的目的，要增加一個(gè)并聯(lián)柜，即在原基礎(chǔ)上增加一些檢測環(huán)節(jié)。同時(shí)為達(dá)到并聯(lián)UPS切換的一致性，必須將原有的各靜態(tài)線路開關(guān)拆除，共用一組靜態(tài)開關(guān)。這種并聯(lián)方式雖然比單臺或串聯(lián)熱備份方式在可靠性等方面有較大的提高，但存在以下弱點(diǎn)：

    1．由于這種方式僅有一組靜態(tài)開關(guān)，沒有冗余備份，當(dāng)靜態(tài)開關(guān)本身出現(xiàn)問題時(shí)，整個(gè)供電系統(tǒng)就不能夠正常輸出，造成輸出中斷；

    2．當(dāng)平衡檢測環(huán)節(jié)（即并聯(lián)柜）出現(xiàn)故障時(shí)，各UPS間有可能產(chǎn)生環(huán)流而造成逆變器燒毀；

    3．當(dāng)負(fù)載為非線性負(fù)載，尤其是波峰因數(shù)較差的計(jì)算機(jī)或電機(jī)等負(fù)載時(shí)，因各UPS內(nèi)部反饋系統(tǒng)參量瞬間調(diào)整，彼比互相沒有關(guān)聯(lián)而造成UPS動態(tài)一致性較差，因此會短時(shí)出現(xiàn)很大的環(huán)流，有可能造成逆變器的燒毀。

    （三）高級并聯(lián)方式

圖3 高級并聯(lián)

    此種方法無任何獨(dú)立部件，全部并聯(lián)冗余，實(shí)現(xiàn)了真正并聯(lián)，且在此系統(tǒng)中無需任何額外附加并聯(lián)柜，可靠性極高，是目前并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展趨勢。由于采用冗余式并聯(lián)，負(fù)載分配均勻，設(shè)備利用率很高。

    高級并聯(lián)工作方式，是由并聯(lián)通訊板實(shí)現(xiàn)的，工作方式相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的并行工作原理。其中一臺主機(jī)為導(dǎo)航UPS，假設(shè)為1#機(jī)。整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)由導(dǎo)航UPS發(fā)出脈沖控制所有并聯(lián)的UPS工作（最多可并聯(lián)6臺），這時(shí)各UPS相應(yīng)器件相當(dāng)于并聯(lián)工作。當(dāng)導(dǎo)航UPS（1#機(jī)）出現(xiàn)故障或未開機(jī)時(shí)，2#機(jī)自動升為導(dǎo)航機(jī)，控制其它UPS，在1#機(jī)恢復(fù)正常后，又由其進(jìn)行控制。而當(dāng)其它UPS出現(xiàn)故障時(shí)，自動退出。這種連接方式優(yōu)點(diǎn)是所有UPS均由一臺UPS控制信號所控制，這樣既可保證各UPS間輸出參量及動態(tài)特性完全一致，又徹底解決了初級并聯(lián)不可避免的內(nèi)部環(huán)流問題，以及靜態(tài)旁路開通和跟蹤一致性的問題。

    由于這種并聯(lián)通訊工作方式具有連接簡單，可靠性高，動態(tài)性好等優(yōu)點(diǎn)，已開始被廣泛采用。但是此并聯(lián)方法對UPS自身技術(shù)要求較高，有些UPS很難采用這種技術(shù)。

    以上介紹了UPS的技術(shù)性能，分析了UPS的可靠性，目的在于掌握UPS的技術(shù)，更可靠地使用UPS電源，確保供電系統(tǒng)連續(xù)不間斷地提供高質(zhì)量的電源。