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不间断电源(UPS)介绍

不间断电源(UPS- Uninterruptible Power Supply)指在电网异常(如停电、欠压、干扰或浪涌)情况下不间断的为电器负载设备提供后备交流电源,维持电器正常运作的设备。通常用于维持计算机(尤其是服务器)或交换机、电话系统等关键性商用设备或精密仪器的不间断运行,防止计算机数据丢失,电话通信网络中断或仪器失去控制。

smartUPS
图为施耐德电气的Smart-UPS系列产品

使用不间断电源通常是为了应对电网可能出现的以下情况:

  • 停电(电网停止工作,无电压输出)
  • 压降(亦称下陷,电网电压低于标称电压15%-20%,时间可能持续数秒)
  • 电涌(亦称浪涌、突波,电网电压瞬间高于标称电压10%以上,时间持续数秒)
  • 持续欠压或持续过压
  • 线噪(因线路屏蔽差而引入的射频或电磁干扰)
  • 频率漂移(发电机不稳定造成的电网频率偏差)
  • 开关瞬态(亦称暂态,由电气设备开关或放电造成的电压偏差,有时可高达20000伏,但是持续时间极短,仅数纳秒)
  • 谐波(电网中由非线性特性的电气设备产生的对交流电正弦波形的干扰)

UPS发展简史

飞轮式不间断电源

在使用电池的时代之前,不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应,这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机(或汽油机)及发电机等 组成。在电网供电的情况下,由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转,并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用,发电机转速倾向于保持均衡,此时不 间断电源可以起到起过滤电网干扰的作用。而当电网断电后,飞轮继续带动发电机的转子旋转,同时启动柴油机带动发电机发电,替代原有电网为负载供电。

然而,由于飞轮式不间断电源使用内燃机提供电力,会产生较大的噪音同时体积也较大,因此目前一般仅被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合,通常情况下不间断电源会使用蓄电池来提供电力。随后渐渐地这种UPS逐渐被蓄电式的UPS所取代。

蓄电池式不间断电源

自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来,不间断电源一直在被改进,但是其基本原理没有重大变化。

现代的不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成,一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下,不间断电源利用电网电源为自身充电,在电网出现异常的时候,不间断电源将存储于电池中的电能释放,供负载使用。它按工作方式通常分为在线式和后备式(亦称为离线式)两种;按输出波形可分为正弦型、近似正弦型(用阶梯方波来拟合正弦波)等。

不间断电源的工作原理

随着UPS技术的不断发展,目前市场上充斥着各种不同类型的 UPS,特性也千差万别。目前人们普遍认为只有两种类型的 UPS 系统,即后备式 UPS 和在线式 UPS。 这两个常用 术语并不能正确地描述现有的各种 UPS 系统。目前有多种方法来设计 UPS 系统,不同方法设计的 UPS 有截然不同的性能特点。常用的设 计方案通常有
• 后备式 • 在线互动式 • 后备式-铁磁共振式 • 双转换在线式 • Delta 转换在线式等。

后备式UPS

后备式UPS

后备式又称为离线式不断电系统(Off-Line UPS),它只是“备援”性质的UPS,市电直接供电给用电设备也为电池充电(Normal Mode),一旦市电供电品质不稳或停电了,市电的回路会自动切断,电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务(Battery Mode),直到市电恢复正常,“UPS只有在市电停电了才会介入供电”,不过从直流电转换的交流电是方波,只限于供电给电容型负载,如电脑和监视器。

在线互动式 UPS

在线互动式UPS

在线互动式UPS中,电池到交流电源的转换器(逆变器)始终连接到 UPS 的输出端。如果在输入交流电源正常 时反向操作逆变器,就会给电池充电。 一旦输入电源出现故障,转换开关就会打开,并通过电池向 UPS 输出端供电。与后备式 UPS 拓扑结构相比,由于逆变器始终打开且与输出端保持连接,这种设计进一步增强了滤波效果,并 降低了转换瞬态过电压。

后备式-铁磁共振式 UPS

后备式-铁磁共振UPS

后备式-铁磁共振式 UPS 中,逆变器处于后备式模式,当输入电源出现故障且转换开关打开时,逆变器才被激活。这种变压器具有特殊的“铁磁共振”功能,它能够提供有限的电压调节和输出波形“修 整”功能。铁磁共振变压器提供的对交流电源瞬态过电压的保护与任何滤波器一样,甚至更好。 但铁磁共振变压器本身会产生严重的输出电压失真和瞬态过电压,这可能造成比交流电源连接不 当更严重的后果。即使这种 UPS 被设计为后备式 UPS,铁磁共振变压器也会由于其本 身的低 效率 而产生大量的热量。另外,这些变压器比常规的隔离变压器体积大,因此后备式-铁磁共振 式 UPS 通常非常庞大和笨重。

双转换在线式 UPS

双转换在线式UPS

这是 10kVA 以上功率范围的电源最常用的 UPS 类型。双转换在线式 UPS除了主电源路径是逆变器(而非交流主电源)外,其余与后备式设计相同。 在双转换在线式设计中,输入交流电发生故障并不会激活转换开关,因为输入交流电一直在给备 用电池充电,而由备用电池向输出逆变器供电。所以,在输入交流电源出现故障时,无需时间进 行在线运行状态转换。在这一设计中,整流器和逆变器将转换全部的负载功率。
这种 UPS 提供了非常理想的供电输出性能。但功率部件的持续工作,与其它设计方案相比,其降低了可靠性。此外,大型电池充电器获得的输入电源通常是非线性的,可能对建筑供电系统产 生干扰或导致备用发电机发生故障。

UPS国家标准

国内现行的针对UPS的国家标准是GB7260。

  • GB 7260.1-2008 不间断电源设备:1-1 操作人员触及区使用的UPS的一般规定和安全要求。
  • GB 7260.4-2008 不间断电源设备:1-2 限制触及区使用的UPS的一般规定和安全要求。
  • GB 7260.2-2009 不间断电源设备:2 电磁兼容性要求。
  • GB/T 7260.3-2003 不间断电源设备:3 确定性能的方法和试验要求。

注:文中配图及部分内容来源施耐德官方网站,仅供大家参考,请勿用作商业用途,转载本文请注明出处。

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