1.UPS不間斷電源類(lèi)型
目前有多種方法來(lái)設(shè)計(jì)UPS不間斷電源系統(tǒng)，不同方法設(shè)計(jì)的UPS不間斷電源系統(tǒng)有截然不同的性能特點(diǎn)。最常用的設(shè)計(jì)方案如下所示：
離線(xiàn)式
在線(xiàn)互動(dòng)式
離線(xiàn)式-鐵磁共振式
雙變換在線(xiàn)式
Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式
離線(xiàn)式UPS
離線(xiàn)式UPS不間斷電源是用于個(gè)人電腦的最常見(jiàn)類(lèi)型。在圖A1所示的結(jié)構(gòu)圖中，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源（圖A1中的實(shí)線(xiàn)路徑），一旦主電源出現(xiàn)故障，就會(huì)切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發(fā)生這種狀況，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)必須進(jìn)行操作將負(fù)載切換到電池/逆變器備用電源上（圖A1的虛線(xiàn)路徑）。逆變器只在電源出現(xiàn)故障時(shí)才啟動(dòng)，因此稱(chēng)為“離線(xiàn)式”。這種設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高，尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和突波電路，這些系統(tǒng)還可以提供適當(dāng)?shù)脑胍艉屯徊ㄒ种乒δ堋?/p>
在線(xiàn)互動(dòng)式UPS
圖B1所示的在線(xiàn)互動(dòng)式UPS適用于小企業(yè)、網(wǎng)站、部門(mén)伺服器的最常見(jiàn)設(shè)計(jì)。在此設(shè)計(jì)方案中，電池到交流電源的轉(zhuǎn)換器（逆變器）始終連接到UPS的輸出端。如果輸入交流電源正常時(shí)反向操作逆變器，就會(huì)給電池充電。
一旦輸入電源出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)，并透過(guò)電池向UPS輸出端供電。與離線(xiàn)式UPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，由于逆變器始終打開(kāi)且與輸出端保持連接，這種設(shè)計(jì)進(jìn)一步增強(qiáng)了濾波效果，并降低了轉(zhuǎn)換瞬間過(guò)載電壓。
另外，在線(xiàn)互動(dòng)式設(shè)計(jì)方案通常會(huì)加入一個(gè)分接頭轉(zhuǎn)換變壓器。這樣，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，透過(guò)調(diào)整變壓器分接頭可以更好的調(diào)整電壓。在電壓較低的情況下，電壓調(diào)節(jié)是一項(xiàng)重要功能，否則UPS將轉(zhuǎn)換到電池并最終無(wú)法供電。由于這種情況而頻繁的使用電池可能會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)早地?fù)p壞。然而也可以按如下方式設(shè)計(jì)逆變器，即當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，仍然允許電源從交流輸入流向輸出，這樣就消除了發(fā)生單點(diǎn)故障的可能性，并有效地提供兩條獨(dú)立的電源路徑。在線(xiàn)互動(dòng)式UPS的設(shè)計(jì)方案具有效率高、體積小、成本低和可靠性高的特點(diǎn)，并可校正過(guò)低或過(guò)高的市電電壓，因此在功率范圍0.5KVA-5KVA的應(yīng)用領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
離線(xiàn)式-鐵磁共振式UPS
離線(xiàn)式-鐵磁共振式UPS曾經(jīng)是功率范圍3-15KVA的應(yīng)用領(lǐng)域中使用最廣泛的UPS類(lèi)型。此設(shè)計(jì)依賴(lài)于一個(gè)特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個(gè)線(xiàn)圈（電源連接）。主電源路徑透過(guò)交流電輸入、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和變壓器，最終連接輸入端。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將打開(kāi)，逆變器輸出將向負(fù)載供電。
鐵磁共振設(shè)計(jì)方案中，逆變器處于離線(xiàn)式模式，當(dāng)輸入電源出現(xiàn)故障且轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，逆變器才被啟動(dòng)。這種變壓器具有特殊的“鐵磁共振”功能，它能夠提供有限的電壓調(diào)節(jié)和輸出波形“修正”功能。鐵磁共振變壓器提供的對(duì)交流電源瞬時(shí)過(guò)載電壓的保護(hù)與任何濾波器一樣，甚至更好。但鐵磁共振變壓器本身會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的輸出電壓失真和瞬時(shí)過(guò)載電壓，這可能造成比交流電源連接不當(dāng)更嚴(yán)重的后果。即使這種UPS被設(shè)計(jì)為離線(xiàn)式UPS,鐵磁共振變壓器也會(huì)由于其本身的低效率而產(chǎn)生大量的熱量。另外，這些變壓器比常規(guī)的隔離變壓器體積大，因此離線(xiàn)式-鐵磁共振式UPS通常非常龐大和笨重。
離線(xiàn)式-鐵磁共振式UPS系統(tǒng)常被視為在線(xiàn)裝置，即使該類(lèi)設(shè)備具有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，逆變器在離線(xiàn)式模式下工作，并且在交流電源出現(xiàn)故障時(shí)表現(xiàn)了轉(zhuǎn)換特征。圖C1說(shuō)明了離線(xiàn)式-鐵磁共振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
高可靠性和極好的線(xiàn)路濾波功能是這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。但是，這種設(shè)計(jì)的效率非常低，而與某些發(fā)電機(jī)和新型的帶功率因數(shù)校正的電腦一起使用時(shí)，還存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，因此導(dǎo)致這種設(shè)計(jì)的普及性大大降低。
離線(xiàn)式-鐵磁共振式UPS系統(tǒng)不在普遍使用的主要原因是在承載現(xiàn)代電腦電源負(fù)載時(shí)，這種系統(tǒng)很不穩(wěn)定。所有大型伺服器和路由器均使用“功率因數(shù)校正”電源，這類(lèi)電源從市電中只獲取正弦波電流（非常類(lèi)似于白熾燈泡）。獲取這種平穩(wěn)電流是透過(guò)電容器（“獲得”適用電壓的設(shè)備）實(shí)現(xiàn)的，鐵磁共振UPS系統(tǒng)采用重型的鐵芯變壓器，這些變壓器具有電感式特性，即電流“滯后于”電壓。這兩種裝置組合起來(lái)形成了“儲(chǔ)能”電路。儲(chǔ)能電路中的共振可能會(huì)產(chǎn)生高電流，而這種電流會(huì)危及所連接的負(fù)載的安全。
雙變換在線(xiàn)式UPS
這是1-10KVA及以上20KVA以?xún)?nèi)功率范圍的電源最常用的UPS類(lèi)型，國(guó)產(chǎn)品牌直接跳過(guò)在線(xiàn)式互動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，20K主力機(jī)型全部為雙變換在線(xiàn)式拓?fù)?。圖D1所示的雙變換在線(xiàn)式UPS的結(jié)構(gòu)中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與離線(xiàn)式設(shè)計(jì)相同。
在雙變換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)中，輸入交流電發(fā)生故障并不會(huì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，因?yàn)榻涣麟娨恢痹俳o備用電池充電，而由備用電池想輸出逆變器供電。所以，在輸入交流電源出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)需時(shí)間進(jìn)行在線(xiàn)式運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在這一設(shè)計(jì)中，整流器和逆變器將轉(zhuǎn)換全部的負(fù)載功率。
這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。但功率元件的持續(xù)工作，與其他設(shè)計(jì)方案相比，其降低了可靠性。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線(xiàn)性的，可能對(duì)建筑供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或?qū)е聜溆冒l(fā)電機(jī)發(fā)生事故。
Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式UPS
圖E1所示的UPS不間斷電源拓?fù)涫且环N較新的設(shè)計(jì)，這種十年前引入的技術(shù)，它克服了雙轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，適用于功率范圍5KVA到1.6MW的應(yīng)用領(lǐng)域。與雙變換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)相似，Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式UPS始終由逆變器提供負(fù)載電壓。然而附加的Delta轉(zhuǎn)換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現(xiàn)故障或受到干擾的情況下，這種設(shè)計(jì)所表現(xiàn)出的行為與雙變換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)完全相同。
了解Delta轉(zhuǎn)換拓?fù)涔δ芙Y(jié)構(gòu)能量效率的一種簡(jiǎn)單方法，是類(lèi)似從大樓的第4層向第5層運(yùn)送包裹時(shí)所需的能量，如圖E2所示。Delta轉(zhuǎn)換技術(shù)運(yùn)送包裹所經(jīng)過(guò)的路程只是起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的差異量（Delta），因?yàn)榇蟠蠊?jié)省了能量。雙變換在線(xiàn)式UPS將交流電源轉(zhuǎn)換為直流，然后又從直流電能轉(zhuǎn)換為交流；而Delta轉(zhuǎn)換器將功率差值從輸入移到輸出。
在Delta轉(zhuǎn)換的在線(xiàn)式設(shè)計(jì)中，Delta轉(zhuǎn)換器具有雙重作用。第一個(gè)作用是控制輸入電力特性。運(yùn)行時(shí)，它的輸入端獲取的電力呈正弦波形，從而最大程度的減少回饋到市電上的諧波。這就確保了市電和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的相容性，同時(shí)減少了配電系統(tǒng)中的發(fā)熱和系統(tǒng)損耗。Delta轉(zhuǎn)換器的第二個(gè)作用是控制輸入電流來(lái)為電池系統(tǒng)充電提供控制。
Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式UPS提供了與雙轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)完全相同的輸出特性。然而這兩種設(shè)計(jì)的輸入特性通常并不相同。Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式設(shè)計(jì)提供了動(dòng)態(tài)控制的、功率因數(shù)校正的輸入，而不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)解決方案低效利用的濾波器組的問(wèn)題。它最大的優(yōu)點(diǎn)是能量損失大為降低。此外，輸入功率控制功能也使得UPS能夠與所有發(fā)電機(jī)組相容，從而減少對(duì)線(xiàn)纜和發(fā)電機(jī)的超選型。
Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式技術(shù)是目前唯一一種受專(zhuān)利保護(hù)的核心UPS技術(shù)，因此大量的UPS供應(yīng)商還無(wú)法應(yīng)用該技術(shù)。
2.UPS不間斷電源類(lèi)型總結(jié)
下表介紹了不同UPS類(lèi)型的部分特征。UPS的某些特性（如效率）是由客戶(hù)選擇的UPS類(lèi)型決定的。由于技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)品質(zhì)對(duì)于例等特性影響更大，如可靠性，因此，除了考慮這些設(shè)計(jì)特性之外，還必須對(duì)以下因素進(jìn)行評(píng)估。
功率范圍（KVA)
電壓調(diào)節(jié)
功率成本
/VA
效率
逆變器是否始終運(yùn)行
離線(xiàn)式
0.5-1.5
低
低
非常高
否
在線(xiàn)互動(dòng)式
0.5-5
設(shè)計(jì)決定
中
非常高 設(shè)計(jì)決定
離線(xiàn)式-鐵磁共振
3-15
高
高
低-中
否
雙變換在線(xiàn)式
5-5000
高 中
低-中 是
Delta轉(zhuǎn)換在線(xiàn)式
20-5000
高 中
高
是
3.各類(lèi)型UPS不間斷電源的應(yīng)用場(chǎng)景
隨著時(shí)間的推移，目前行業(yè)內(nèi)的UPS產(chǎn)品逐漸包括上述各類(lèi)型的設(shè)計(jì)。不同類(lèi)型的UPS不間斷電源具有不同的特性，這使得它們能夠應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。施耐德電氣旗下APC品牌的產(chǎn)品系列反映了這種多樣性，如下表所示。能效也是UPS不間斷電源設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)重要考慮因素。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)前大多數(shù)UPS不間斷電源不再像以往的設(shè)計(jì)一樣采用內(nèi)置變壓器設(shè)計(jì)。這種變化使UPS不間斷電源的效率升高，重量和體積下降，而且所需的原材料也大大降低。UPS不間斷電源的節(jié)能運(yùn)行模式也可以改善能效，但是需要權(quán)衡成本和收益之間的利弊。
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