UPS及其工作原理簡(jiǎn)介

UPS是英文Uninterruptible Power Supply的縮寫，意為“不間斷供電電源”，是一種含有儲(chǔ)能裝置（常見的是蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源，它可以解決現(xiàn)有電力的斷電、低電壓、高電壓、突波、雜訊等現(xiàn)象，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠?，F(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)、交通、銀行、證券、通信、醫(yī)療、工業(yè)控制等行業(yè)，并且正在迅速地走入家庭。

下面，讓我們先簡(jiǎn)單地了解一下UPS的工作原理。

當(dāng)我們沒有使用UPS的時(shí)候，PC機(jī)、打印機(jī)等終端設(shè)備是直接接入市電使用的，用了UPS，就將PC機(jī)、打印機(jī)等終端設(shè)備接到UPS上使用，而UPS再接入市電。當(dāng)市電輸入正常時(shí)，UPS將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給終端設(shè)備(相對(duì)于UPS而言，我們將這些終端設(shè)備稱為負(fù)載)使用，此時(shí)的UPS就是一臺(tái)交流市電穩(wěn)壓器，同時(shí)它還向自己的內(nèi)置電池充電；當(dāng)市電中斷(例如停電)時(shí), UPS 立即將內(nèi)置電池的電能，通過逆變轉(zhuǎn)換的方法向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)220V交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載的軟、硬件系統(tǒng)不受損壞。

二、市電對(duì)家用PC機(jī)及其終端設(shè)備的影響

如果我們的PC機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備不使用UPS，又會(huì)受到哪些影響呢？不少人都有一個(gè)常見的錯(cuò)誤概念，認(rèn)為我們使用的市電，除了偶爾發(fā)生的停電事故外，都是連續(xù)而且恒定的。其實(shí)不然。市電系統(tǒng)作為公共電網(wǎng)，上面連接了成千上萬(wàn)各種各樣的負(fù)載，其中一些較大的感性、容性、開關(guān)電源等負(fù)載不僅從電網(wǎng)中獲得電能，還會(huì)反過來對(duì)電網(wǎng)本身造成影響，惡化電網(wǎng)或局部電網(wǎng)的供電品質(zhì)，造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外，意外的自然和人為事故，如雷擊、輸變電系統(tǒng)斷路或短路、電源插頭地錯(cuò)誤拔插等，都會(huì)危害電力的正常供應(yīng)，從而影響負(fù)載的正常工作。尤其需要特別指出的是，PC機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備等都屬于非常精密的電子設(shè)備，對(duì)它們的影響表現(xiàn)得尤為突出。

對(duì)于PC機(jī)來說，顯示器及主機(jī)工作都需要正常的電力供應(yīng)。尤其是內(nèi)存，對(duì)電源的要求更高，它是一種依賴電能的存儲(chǔ)設(shè)備，需要不斷的刷新動(dòng)作來保持存儲(chǔ)內(nèi)容，一旦斷電，所保存的內(nèi)容立即消失。如果非正常斷電，導(dǎo)致內(nèi)存中的信息來不及保存到硬盤等存儲(chǔ)設(shè)備上，就會(huì)造成信息因完全丟失或變得不完整而失去價(jià)值，從而浪費(fèi)大量的工作精力和時(shí)間；而象UNIX、Linux這樣的操作系統(tǒng)（現(xiàn)在不少的電腦愛好者使用這種操作系統(tǒng)），如果不正常關(guān)機(jī)，內(nèi)存中的系統(tǒng)信息沒有回寫到硬盤上，還可能造成系統(tǒng)崩潰，無法再次啟動(dòng)；此外，電腦中的硬盤，雖然應(yīng)用的是磁存儲(chǔ)介質(zhì)，不會(huì)因斷電而損失信息，但突然的電力故障會(huì)使正在進(jìn)行讀寫工作的硬盤物理磁頭損壞，或者系統(tǒng)文件在維護(hù)文件系統(tǒng)時(shí)，造成文件分配表錯(cuò)誤，從而使硬盤產(chǎn)生壞道，嚴(yán)重的，甚至還會(huì)造成整個(gè)硬盤的報(bào)廢；另外，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)大都能設(shè)置虛擬內(nèi)存，由于突然的斷電，使系統(tǒng)來不及取消虛擬內(nèi)存，從而造成硬盤中的“信息碎片”，不僅浪費(fèi)了硬盤存儲(chǔ)空間，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器運(yùn)行緩慢；電腦電源是一種整流電源，過高的電壓可能會(huì)造成整流器燒毀。而電壓尖脈沖和暫態(tài)過電壓以及電源雜訊等干擾都可能通過整流器進(jìn)入主機(jī)板，影響機(jī)器的正常工作，甚至燒毀主機(jī)線路。

一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)正弦波（220V，50Hz）是一種理想狀態(tài)，但實(shí)際情況下，根據(jù)電力專家的測(cè)試，電網(wǎng)中經(jīng)常發(fā)生并且對(duì)計(jì)算機(jī)或精密儀器產(chǎn)生干擾或造成損壞的情況主要有以下幾種：電涌、高壓尖脈沖、暫態(tài)過電壓、電壓下陷、電線噪聲、頻率漂移、持續(xù)低電壓、市電中斷等。

1. 電涌（Power Surges）：指輸出電壓有效值高于額定值110％，而且持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)或數(shù)個(gè)周期。電涌主要是由于在電網(wǎng)上連接的大型電氣設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)（例如常見的家用空調(diào)關(guān)機(jī)時(shí)），電網(wǎng)因突然卸載而產(chǎn)生的高壓（我們都會(huì)有這樣的切身體會(huì)：在晚上6:00至9:00左右的時(shí)間段，是用電的高峰期，市電電壓普遍偏低，家里的照明燈比較暗，過了用電高峰期，比如說在晚上10:00左右，你會(huì)發(fā)現(xiàn)家里的照明燈突然一閃，并且亮了很多，這就是我們?cè)谌粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷降囊环N電涌現(xiàn)象）。

2. 高壓尖脈沖（High Voltage Spikes）：指峰值達(dá)6000v，持續(xù)時(shí)間從萬(wàn)分之一秒至二分之一周期（10ms）的電壓。這主要由于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型電氣設(shè)備的開關(guān)操作而產(chǎn)生。

3. 暫態(tài)過電壓（Switching Transients）：指峰值電壓高達(dá) 20000V，但持續(xù)時(shí)間界于百萬(wàn)分之一秒至萬(wàn)分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，只是在解決方法上會(huì)有區(qū)別。

4. 電壓下陷(Power Sags)：指市電電壓有效值介于額定值的80％至85％之間的低壓狀態(tài)，并且持續(xù)時(shí)間達(dá)一個(gè)到數(shù)個(gè)周期。大型設(shè)備開機(jī)，大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。

5. 電線噪聲（Electrical Line Noise）：系指射頻干擾(RFI)和電磁干擾（EFI）以及其它各種高頻干擾。馬達(dá)的運(yùn)行、繼電器的動(dòng)作、馬達(dá)控制器的工作、廣播發(fā)射、微波輻射、以及電氣風(fēng)暴等，都會(huì)引起線噪聲干擾。

6. 頻率偏移（Frequency Variation）：系指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應(yīng)急發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。

7. 持續(xù)低電壓（Brownout）：指市電電壓有效值低于額定值，并且持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。其產(chǎn)生原因包括：大型設(shè)備啟動(dòng)和應(yīng)用、主電力線切換、啟動(dòng)大型電動(dòng)機(jī)、線路過載（我們國(guó)家的很多地區(qū)存在這個(gè)問題）。

8. 市電中斷(Power Fail)：即我們通常遇到的停電。其產(chǎn)生原因有：線路上的斷路器跳閘、市電供應(yīng)中斷、電網(wǎng)故障。

三. UPS的分類

UPS已從60 年代的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路，并且還在繼續(xù)發(fā)展。目前，UPS一般均指靜止式UPS，按其工作方式分類可分為后備式、在線互動(dòng)式及在線式三大類。

1. 后備式UPS：在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電超出其工作范圍或停電時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定精度差，有切換時(shí)間，且輸出波形一般為方波。原理圖如下：

2. 在線互動(dòng)式UPS：在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電偏低或偏高時(shí)，通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當(dāng)市電異?；蛲ｋ姇r(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是：有較寬的輸入電壓范圍，噪音低，體積小等特點(diǎn)，但同樣存在切換時(shí)間，但和一般后備UPS相比，這種機(jī)型保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波。原理圖如下：

3. 在線式UPS在市電正常時(shí)，由市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負(fù)載提供交流電，在市電異常時(shí)，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。其特點(diǎn)是，有極寬的輸入電壓范圍，無切換時(shí)間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對(duì)電源要求較高的場(chǎng)合，但是成本較高。目前，功率大于3KVA的UPS幾乎都是在線式UPS。原理圖如下：

UPS按照輸出容量大小劃分為小容量3KVA以下，中小容量3KVA~10KVA，中大容量10KVA以上。

UPS按輸入/輸出方式可分為三類：?jiǎn)蜗噍斎?單相輸出（簡(jiǎn)稱單進(jìn)單出）、三相輸入/單相輸出（簡(jiǎn)稱三進(jìn)單出）、三相輸入/三相輸出（簡(jiǎn)稱三進(jìn)三出）。

對(duì)于用戶來說，三相供電其市電配電和負(fù)載配電容易，每一相都承當(dāng)一部分負(fù)載電流，因而中、大功率UPS多采用三相輸入/單相輸出或三相輸入/三相輸出的供電方式。

后備式UPS主要是用來給單臺(tái)PC機(jī)提供電源保護(hù)，具有體積小、價(jià)格低、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常適合家庭使用，所以，當(dāng)你為家用電腦購(gòu)買UPS時(shí)，請(qǐng)選購(gòu)后備式的。
在線式UPS幾乎可以解決所有的常見電力問題，在有市電時(shí)，功能為穩(wěn)壓和防止電力波動(dòng)干擾，因?yàn)槠涔δ茌^完善，所以其成本也隨著性能的增強(qiáng)而上升，價(jià)格較后備式UPS貴很多。在線式UPS主要用于對(duì)電源要求非常嚴(yán)格的一些計(jì)算機(jī)設(shè)備、醫(yī)療器械等，，一般與多個(gè)外置蓄電池串接使用以延長(zhǎng)供電時(shí)間，多為單位配置。

智能型UPS是當(dāng)今UPS的一大發(fā)展趨勢(shì)，隨著UPS在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)管理者強(qiáng)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為保護(hù)對(duì)象，希望整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，仍然可以繼續(xù)工作而不中斷。因此UPS內(nèi)部配置微處理器使之智能化是UPS的新趨勢(shì)，UPS內(nèi)部硬件與軟件的結(jié)合，大幅度提高了UPS的功能，可以監(jiān)控UPS的運(yùn)行工作狀態(tài)，如：UPS輸出電壓頻率，電網(wǎng)電壓頻率、電池狀態(tài)以及故障記錄等。還可以通過軟件對(duì)電池進(jìn)行檢測(cè)、自動(dòng)放電充電，以及遙控開關(guān)機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)管理者就可以根據(jù)信息資料分析供電質(zhì)量，依據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。當(dāng)UPS檢測(cè)出供電電網(wǎng)中斷時(shí)，UPS自動(dòng)切換到電池供電，在電池供電能力不足時(shí)立即通知服務(wù)器做關(guān)機(jī)的準(zhǔn)備工作并在電池耗盡前自行關(guān)機(jī)。智能型UPS通過接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，從而使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠監(jiān)控UPS，因此其管理軟件的功能就顯得極其重要。

什么是后備式UPS

平時(shí)處于蓄電池充電狀態(tài)，在停電時(shí)逆變器緊急切換到工作狀態(tài)，并將電池提供的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的交流電輸出，后備式UPS也被稱為離線式UPS。
后備式UPS存在2至10毫秒的時(shí)間切換，不適合于關(guān)鍵性供電場(chǎng)所。此外，后備式UPS一般只能持續(xù)供電幾分鐘到十幾分鐘。
后備式UPS電源的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高、噪音低、價(jià)格相對(duì)便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大，對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。

什么是在線式UPS

在線式UPS：在線式UPS在工作時(shí)，首先將市電轉(zhuǎn)化為直流電給UPS電池充電，同時(shí)逆變器（見提示）將此直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨?fù)載供電，由于市電經(jīng)過了交流到直流、再到交流的轉(zhuǎn)換過程，所以市電中原有的干擾和脈沖電壓成分已經(jīng)過濾得非常干凈，因此，由在線式UPS逆變出來的電壓很穩(wěn)定。由于逆變電路始終在工作，所以當(dāng)停電時(shí)，UPS能馬上將其存儲(chǔ)的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，從而達(dá)到了輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)。雙變換也是指UPS的輸出電壓經(jīng)過了兩次交直流的互相轉(zhuǎn)換過程。而高頻則表示UPS內(nèi)部工作在高頻環(huán)境下。高頻UPS的好處是體積小，重量輕，工作效率高，其壞處是抗過載抗沖擊能力差。

什么是在線互動(dòng)式UPS

在線互動(dòng)式UPS：這是一種智能化的UPS，所謂在線互動(dòng)式UPS，是指在輸入市電正常時(shí)，UPS的逆變器處于反向工作（即整流工作狀態(tài)），給電池組充電；在市電異常時(shí)逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，將電池組電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出，因此在線互動(dòng)式UPS也有轉(zhuǎn)換時(shí)間。同后備式UPS相比，在線互動(dòng)式UPS的保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，而其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的軟件功能，可以方便地上網(wǎng)，進(jìn)行UPS的遠(yuǎn)程控制和智能化管理?？勺詣?dòng)偵測(cè)外部輸入電壓是否處于正常范圍之內(nèi)，如有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供比較穩(wěn)定的正弦波輸出電壓。而且它與計(jì)算機(jī)之間可以通過數(shù)據(jù)接口（如RS-232串口）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過監(jiān)控軟件，用戶可直接從電腦屏幕上監(jiān)控電源及UPS狀況，簡(jiǎn)化、方便管理工作，并可提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。這種UPS集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)頻特性能不是十分理想，不適合做常延時(shí)的UPS電源。