UPS 是“不間斷電源”的縮寫，指的是連接在供電網(wǎng)絡(luò)和受保護(hù)設(shè)備之間的設(shè)備，即使在斷電或斷電的情況下也能為設(shè)備供電。UPS 不應(yīng)與其他保護(hù)設(shè)備(如穩(wěn)壓器、隔離變壓器、瞬態(tài)抑制器等)混淆。
UPS 的實(shí)用性
如上所述，UPS 是在停電或電壓下降時提供應(yīng)急電源的設(shè)備。它們用于保護(hù)敏感電子設(shè)備免受電壓波動或斷電造成的損壞。在有主電源的情況下，UPS 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并存儲在電池中。在斷電的情況下，UPS 使用存儲在電池中的能量為連接的設(shè)備供電，然后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。UPS 有各種不同的尺寸和電容量。通過使用 UPS，敏感電子設(shè)備可以免受輕微到嚴(yán)重的電壓波動或突然斷電的影響。它們還允許設(shè)備在斷電時繼續(xù)運(yùn)行。這對于不能中斷的活動尤其重要，例如服務(wù)器、安全系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。
借助設(shè)備保護(hù)功能，UPS 有助于降低因電壓波動或斷電而損壞的電子設(shè)備的維修成本。配備 UPS 的大多數(shù)設(shè)備可能是個人計算機(jī)。斷電會導(dǎo)致計算機(jī)關(guān)閉或崩潰，從而導(dǎo)致寶貴的工作和數(shù)據(jù)丟失或刪除，造成難以想象的損失。如果在執(zhí)行寫入操作時發(fā)生干擾，整個硬盤都可能被毀壞。對于企業(yè)來說，存儲在計算機(jī)上的敏感數(shù)據(jù)和文檔通常比包含它們的硬件更有價值。盡管當(dāng)今的個人計算機(jī)具有很高的可靠性，但它們很容易受到電源電壓波動和下降的影響。盡管當(dāng)今的技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成果，仍然沒有一條不受干擾的配電線路，問題，甚至是難以察覺的問題，幾乎是司空見慣的。
靜態(tài)UPS
UPS 通?？杉m正高電壓和低電壓事件，例如電壓尖峰和電壓驟降。因此，要為您的設(shè)備實(shí)施保護(hù)，您需要足夠的保護(hù)，以確保即使在沒有電的情況下也能正常運(yùn)行。通過安裝適當(dāng)?shù)?UPS，設(shè)備可免受電氣干擾帶來的危險影響。如果長時間斷電，UPS 可提供足夠時間的電力來保存數(shù)據(jù)并有序關(guān)閉應(yīng)用程序，從而消除中斷的影響。一旦完成此維護(hù)，就可以關(guān)閉設(shè)備，因?yàn)殡姵馗鶕?jù)其特定電容量具有有限的自主性。通常，UPS 可提供約 10 或 15 分鐘的備用電源，盡管使用大容量電池可以獲得更長的續(xù)航時間。
由于 UPS 在長時間停電期間僅提供有限的電量，因此用戶應(yīng)采取一些預(yù)防措施，以防止在 UPS 無法再為其設(shè)備供電之前丟失數(shù)據(jù)。最先進(jìn)的 UPS 型號有一個通信端口，允許與要保護(hù)的設(shè)備進(jìn)行邏輯連接。靜態(tài) UPS 使用電力電子設(shè)備而不是電動發(fā)電機(jī)為負(fù)載提供電能。如今，大多數(shù) UPS 都是這種類型。UPS 的一般結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。一種廣泛使用的 UPS 類型稱為“雙轉(zhuǎn)換”，其特點(diǎn)在于輸入和輸出從不直接接觸，這是因?yàn)樗鼈儓?zhí)行兩次轉(zhuǎn)換，從交流電到直流電，反之亦然。在中間點(diǎn)，電池插入為逆變器供電的求和節(jié)點(diǎn)，即執(zhí)行第二次轉(zhuǎn)換的模塊，這樣就不會發(fā)生切換，并且電壓變化也不會影響輸出。
有時，這種類型的 UPS 配備變壓器，該變壓器還具有隔離功能。在這種類型的操作下，電源在主電源和電池之間切換時沒有延遲時間。另一種操作模式被定義為“離線”，其中逆變器僅在主電源電壓故障時運(yùn)行。管理系統(tǒng)所需的能量顯然少于前一種，但在這種情況下，能源的改變需要幾毫秒的延遲時間，在此期間負(fù)載與所有能源斷開連接。
圖 1：UPS 的一般結(jié)構(gòu)
如今，雙轉(zhuǎn)換UPS的設(shè)計元件種類繁多。最初使用的是IGBT，但目前，碳化硅(SiC)MOSFET在效率、功率密度和成本效益方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅，而且功率損耗低。通常，開關(guān)頻率等于或大于25 kHz，以避免產(chǎn)生任何可聽見的和惱人的音調(diào)。
交流到直流的轉(zhuǎn)換過程已在之前的文章中介紹過，因此這里無需重復(fù)。UPS 的功能不僅在于轉(zhuǎn)換和供應(yīng)能量，而且不幸的是，還在于在存在干擾元素的情況下對其進(jìn)行管理。很多時候，由于存在不良影響會改變其基本特性，因此電力質(zhì)量會降低。這些干擾可能是電壓峰值和下降、諧波的存在以及電力線中的噪聲。幸運(yùn)的是，這些不良事件持續(xù)時間很短，并且是人為的(附近其他設(shè)備的操作)或自然的(雷電或電氣放電)?，F(xiàn)在讓我們深入研究兩種常見的 UPS 類型，即離線 UPS 和在線(或雙轉(zhuǎn)換)UPS，盡管實(shí)際上還有很多其他的。
離線式UPS
這種類型的 UPS 用于低功率(參見圖 2 中的總圖)。在有電源電壓的情況下，負(fù)載通過靜態(tài)開關(guān)供電，該開關(guān)配備有濾波器以減少任何電源干擾。同時，AC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池充電。因此，輸出電流實(shí)際上與輸入電流相同。但是，當(dāng)電源電壓故障時，負(fù)載由帶有逆變器的電池供電。這種 UPS 模式允許您獲得簡單、小巧且經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。但是，它們不能保證輸入和輸出之間有足夠的隔離，而且切換時間通常很長，因此負(fù)載會在幾十毫秒內(nèi)處于斷電狀態(tài)。
圖2：離線式UPS的總體示意圖
雙轉(zhuǎn)換在線式UPS
雙轉(zhuǎn)換 UPS 比之前的 UPS 更為復(fù)雜(見圖 3 中的總圖)。在有電源電壓的情況下運(yùn)行期間，負(fù)載由逆變器供電。在這種情況下，存在雙 AC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換。在沒有電的情況下，使用儲能電池，DC/AC 轉(zhuǎn)換器為負(fù)載供電。因此，切換是即時的，沒有瞬變，負(fù)載受到保護(hù)并與整個配電系統(tǒng)隔離。最終，性能更好，但成本更高。
圖 3：雙轉(zhuǎn)換 UPS 的總體方案
以簡單的 UPS 電路作為起點(diǎn)
圖 4 顯示了由分立元件制成的小型 UPS 的通用示例。它的操作毫不費(fèi)力，不使用逆變器或穩(wěn)壓器，可用于為低電流負(fù)載供電。在正常運(yùn)行中，即在有主電源的情況下，電池通過電阻器 R3 充電。交流電壓由 D1、D2、D3 和 D4 以及電解電容器 C1 組成的橋整流和調(diào)平。功率晶體管處于飽和狀態(tài)，并通過二極管 D7 為負(fù)載供電。此配置旨在穩(wěn)定中等電流負(fù)載的輸出電壓。當(dāng)主電壓故障時，晶體管不再傳導(dǎo)電流。因此，負(fù)載由電池供電。在這種配置中，齊納二極管的選擇非常微妙和關(guān)鍵。
圖 4：帶有分立低功耗元件的簡單 UPS 的通用圖
圖 5 顯示了與最重要節(jié)點(diǎn)相關(guān)的圖表。我們可以從頂部開始觀察到以下軌跡：
· 第一張圖顯示了網(wǎng)絡(luò)中電流流動的邏輯趨勢。它在模擬的前 3 秒內(nèi)存在，然后停電 1 秒，然后電能恢復(fù) 3 秒并消失 1 秒，依此類推。
· 第二張圖顯示交流電源電壓為 230 V(RMS)。停電期間，電壓為 0。
· 第三張圖顯示了正常運(yùn)行和斷電期間負(fù)載兩端的電壓。如您所見，斷電期間電壓略有下降，約為 0.5 V。
· 第四張也是最后一張圖顯示了流過電池和二極管 D6 的電流。在正常運(yùn)行期間，在有電源電壓的情況下，電池消耗為零，而是通過電阻器 R3 稍微充電。
圖 5：與建議的 UPS 的最重要節(jié)點(diǎn)相關(guān)的圖表
結(jié)論
毫無疑問，UPS 是一項重要的投資，可以保護(hù)敏感電子設(shè)備，尤其是其中存儲的任何數(shù)據(jù)和信息。在選擇購買 UPS 時，重要的是要考慮幾個技術(shù)和操作因素，以確保它完全適合您的需求。對電力的日益依賴往往需要替代和應(yīng)急電源系統(tǒng)。要評估的一個重要因素是對環(huán)境的尊重。事實(shí)上，目前 UPS 不能用發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)和柴油來制造。最新技術(shù)也在評估使用超級電容器作為能源的解決方案，當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生電力中斷時，這可以確保更好的結(jié)果。
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