UPS不间断电源的基础知识及UPS电源分类

UPS为英文Uninterruptable Power System的缩写，即不间断电源。当电网出现干扰、中断时，UPS不间断电源仍能保证一个持续、稳定的电力输出，确保负载设备的安全运行，避免数据丢失或设备损坏。

在计算机和机房设备运行期间，供电的干扰或中断，将导致随机储存数据的丢失和破坏，信息数据的错误、中断和丢失，甚至设备损坏。我国近些年电力行业蓬勃发展，然而受到各种因素影响，依然有可能出现紧急情况。UPS不间断电源技术可满足部分行业对高可靠、高质量的供电要求，如数据中心、工业自动化、航空、医疗等。

一、UPS不间断电源的组成和工作原理

UPS不间断电源基本结构包括整流／充电装置、逆变器、蓄电池、控制电路和电子旁路开关五大部分，以及输入输出滤波电路、各种保护（过流、过压、过温、短路保护，电池电压检测及低压截止保护）电路及相关报警装置（指示灯、蜂鸣器）。

1. 整流／充电装置

整流/充电模块是一个关键部件，主要用于将输入的交流市电转换为稳定的直流电。这一转换过程不仅为逆变器提供平滑的直流电压，还同时为蓄电池组进行充电补充能量，也有的UPS将其分为两个独立的部分。

目前常见的整流元件包括晶体管和可控硅（晶闸管）两大类。晶体管一般只应用于小型UPS中，而中大型UPS设备，则普遍采用性能更优的单相桥式或三相全控桥式可控硅整流电路，具有更高的功率处理能力和更好的电能转换效率。

2.  逆变器

逆变器模块是电能转换的核心组件，负责将直流电转换为稳频、稳压、无扰动的交流电，经变压器和输出滤波器向负载供电。

从UPS出现至今，先后曾采用过可控硅、场效应管、绝缘栅双极型晶体管作为逆变器的功率器件。绝缘栅双极型晶体管是1982年研制成功并推向市场的一种新型功率器件，它具有场效应管的高速开关特性、栅极电压可控、双极晶体管的大电流处理能力和低饱和压降等特点。由于它开关损耗小，驱动容易，目前在新一代UPS中．已被广泛采用来作为功率变换器件」由于它的高频开关特性，使得UPS逆变器的工作频率可达几十kHz。采用PWM（脉宽调制）控制，逆变器的输出谐波含量大大减小，这样经过体积小、结构简单的滤波器就可以在逆变器的输出端得到很纯净的正弦波，逆变器的工作效率得到了提高，也就提高了UPS整机效率。而且由于逆变频率的提高，使得UPS的输出动态响应特性、逆变器的噪音都有了明显的改善，但其缺点是成本较高。

3. 蓄电池

蓄电池作为UPS 的储能元件，其容量的大小决定了liPS后备时间的长短。在交流市电正常时，整流／充电装置提供一个直流浮充电电压；在交流市电不正常或中断时，由蓄电池向逆变器提供工作电压，以保证UPS电源交流输出的连续性。

目前UPS广泛使用的是免维护密封式铅酸蓄电池充电池，它将电能转换为化学能储存起来，当放电时将化学能转变为电能释放出来。蓄电池如维护使用正确，寿命一般可达5~10年。

4.控制电路

要保证UPS 的正常工作就必须有一个功能完善的控制电路，由它负责控制UPS各部分的工作，主要功能控制如下：

①提供控制整流器的触发信号；

②提供控制逆变器的调制信号；

③电子旁路开关的开通及关断；

④交流市电的监测与跟踪；

⑤电池的检测，电池的放电低压截止；

⑥提供过流、过压、过温、短路保护。

5.电子旁路开关

UPS电源在进行从交流市电旁路供电到由逆变器供电或从逆变器供电到市电旁路供电的切换操作，是由电子旁路开关来完成的。所谓静态开关，它是将一对反向并联的快速可控硅连接起来，作为UPS上述供电切换的转换元件，其接通时间为ns数量级，因此才能实现对负载进行转换时间为“零＂的不间断供电。

二、UPS不间断电源的分类

UPS 按其工作方式可分为后备式 、三端口及在线式三大类，各有其特点。

1.后备式‌

在交流市电正常时，市电只经射频滤波和抗浪涌无源滤波电路，不经过整流逆变，直供负载，此时整流器仅给蓄电池充电，逆变器不工作。只有当交流市电不正常或中断时，逆变器才启动，将电池的直流电转换为交流电输送给负载，在此转换期间有一个10ms以内的中断时间。

后备式UPS价格经济实惠，但对电网波动敏感，不推荐精密仪器。另外其逆变器和变压器设计工作时间短，无法实现长时间后备的功能。

2.三端口式UPS

利用磁饱和原理达到稳压效果，另一核心部分是双向逆变器（即整流逆变器）。在市电正常时，双向逆变器起整流作用，向蓄电池充电。当市电失压或中断时，双向逆变器起逆变器的作用，将电池的直流电压变为交流电，以达到交流输出的连续性。

三端口式UPS的双向逆变器从整流器转换为逆变器的工作时间很短，但其输出频率不稳，电池寿命低，故不适宜做长延时UPS，多用于应急场景。

3.在线式UPS

在市电正常时，输入交流先经滤波器将交流市电中的高次谐波滤掉，再经整流滤波，向逆变器和蓄电池提供直流电压。逆变器在调制信号的控制下，其输出经变压器及交流滤波器后，输出一个稳压、稳频的交流电供给负载 。在市电不正常或中断时，蓄电池将直流能量经逆变器转变成交流电，实现不间断供电。

线式UPS线路较复杂，保护功能强，能适应较宽的市电范围。

另按输入输出方式又可分为单相输入单相输出、三相输入单相输出以及三相输入三相输出；按输出波形可分为方波、梯形波和正弦波，其中方波输出效率低，输出失真度大，不适合精密仪器使用。一般只在后备式UPS中使用，而三端口式和在线式UPS多为正弦波输出。