UPS的電路結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

一、 UPS電路結(jié)構(gòu)種類
    當(dāng)前技術(shù)成熟并已形成產(chǎn)品的各種UPS，就其主電路結(jié)構(gòu)和不停電供電運(yùn)行機(jī)制來看，主要有四大類：
·后備式
·在線互動(dòng)式
·雙逆變在線式
·雙逆變電壓補(bǔ)償在線式（delta逆變器）

圖(一)、(二)、(三)、(四)分別是以上四種類型UPS的基本電路結(jié)構(gòu)形式。
1、 后備式是靜止式UPS的最初形式，因?yàn)閼?yīng)用得早，用得廣泛，因而技術(shù)和產(chǎn)品都是很成熟的，圖（一）中電路各環(huán)節(jié)的功能為：
·充電器：市電存在時(shí)，對蓄電池充電并浮充，如果是長延時(shí)UPS，就要求它有較強(qiáng)的充電能力，或者外加相應(yīng)容量的附加充電器。
·DC-AC逆變器：市電存在時(shí)，逆變器不工作；市電掉電時(shí)，由它將直流電壓（電池供給）變成符合負(fù)載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準(zhǔn)方波、正弦波三種形式。

 
·輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)：市電存在時(shí)，接通輸入電源向負(fù)載供電；市電掉電時(shí)，斷開電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負(fù)載供電。 智能調(diào)壓：市電存在時(shí)，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓。
后備式UPS的性能特點(diǎn)是：
·當(dāng)市電存在時(shí)，效率高，可達(dá)98%以上；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載電流，UPS本身不 產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格地限制；
·市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間,一般可做到4ms左右,足以滿足負(fù)載要求；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負(fù)載要求；
·當(dāng)市電存在時(shí)，整機(jī)要靠附加濾波電路提高UPS雙向抗干擾功能；
·電路簡單，成本低，可靠性高；
·由于輸出有轉(zhuǎn)換開關(guān)，受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當(dāng)前面市的后備式UPS多在2KVA以下。
2、 在線互動(dòng)式的在線含意是逆變器處于熱備份狀態(tài)，同時(shí)兼顧了對電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了對輸出電壓的濾波作用。

圖（二）中電路各環(huán)節(jié)的功能如下： 
·輸入開關(guān)：當(dāng)市電掉電時(shí)（指電網(wǎng)失壓），斷開開關(guān)，防止逆變器向電網(wǎng)饋電；
·智能調(diào)壓：市電存在時(shí)，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓；
·DC/AC逆變器：此逆變器可雙向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，逆變方向是AC- DC, 給電池充電并浮充；市電掉電后，逆變方向?yàn)镈C-AC，由電池供電，保持UPS繼續(xù)向負(fù)載供電。
在線互動(dòng)式UPS的性能特點(diǎn)是：
 
 
·當(dāng)市電存在時(shí)，效率高，可達(dá)98%以上；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成份取決于負(fù)載 電流，UPS本 身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流峰值系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率 因數(shù)、過載等沒有嚴(yán)格地限制；
·市電掉電時(shí)，因?yàn)檩斎腴_關(guān)存在開斷時(shí)間，至使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式要小；
·市電存在時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負(fù)載要求；
·市電存在時(shí)，因?yàn)槟孀兤髦苯咏釉谳敵龆?，并且處在熱備份狀況，對輸出電壓尖峰干擾有濾波作用；
·電路更簡單，成本低，可靠性高；
·逆變器同時(shí)有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強(qiáng)的多，當(dāng)要求長延時(shí)供電時(shí)，無須再增加機(jī)外充電設(shè)備；
·由于逆變器與輸出直接接在一起，沒有轉(zhuǎn)換開關(guān)的限制，所以輸出功率可提高到5-10KVA。
為了進(jìn)一步改善在線互動(dòng)式的功能，可在輸入開關(guān)和智能調(diào)壓之間串接一個(gè)電感，目的在于當(dāng)市電掉電時(shí)，逆變器可立即向負(fù)載供電，因?yàn)榇?lián)電感對逆變輸出反饋到電網(wǎng)的電流有很強(qiáng)的抑制作用，避免了輸入開關(guān)未斷開時(shí)短路逆變器輸出的危險(xiǎn)，這樣做可以使在線互動(dòng)式的轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到零，使其完全具備雙逆變在線式的轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還增加了整個(gè)UPS的抗干擾能力。但是，這樣做卻帶來了降低UPS輸入功率因數(shù)的不良后果。
3、 雙逆變在線式 
當(dāng)前，絕大多數(shù)在線式，特別是大功率在線式UPS，大都采用了雙逆變電路結(jié)構(gòu)，圖（三）中電路各環(huán)節(jié)功能如下：

　·逆變器（Ⅰ）：該逆變器為AC-DC單向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，它完成對電池的充電，并通過逆變器（Ⅱ）向負(fù)載供電，該逆變器多為整流或可控整流電路； 
 
　·逆變器（Ⅱ）：該逆變器為DC-AC單向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，它由逆變（Ⅰ）取得功率后再送到輸出端，并保證向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源；當(dāng)市電掉電時(shí)，由電池通過逆變器（Ⅱ）向負(fù)載供電；
　·旁路開關(guān)：平時(shí)處在斷開狀態(tài)，當(dāng)逆變電路發(fā)生故障，或者當(dāng)負(fù)載有沖擊性（例如啟動(dòng)負(fù)載時(shí)）或故障過載時(shí)，逆變器停止輸出，旁路開關(guān)接通，由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電，旁路開關(guān)多為智能型的功率容量很強(qiáng)的無觸點(diǎn)開關(guān)。
雙逆變在線式UPS的性能特點(diǎn)如下：
　·因?yàn)椴还苁须娪袩o，負(fù)載的全部功率都由逆變器給出，所以可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定精度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真度等指標(biāo)，都是比較高的；
　·市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間；
　·因?yàn)闊o論市電有無，全部負(fù)載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對負(fù)載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(shù)（一般只達(dá)到3:1）、過載能力、輸出功率因數(shù)（一般為0.8）、輸出有功功率小于標(biāo)定的KVA數(shù)，應(yīng)付沖擊性負(fù)載的能力等；
　·由于逆變器（Ⅰ）多為整流電路，對電網(wǎng)形成電流諧波干擾，輸入功率因數(shù)低，經(jīng)濾波后，最小的諧波電流成份在10%左右，而輸入功率因數(shù)只有0.8左右，如果在逆變器（Ⅰ）中使用功率因數(shù)校正技術(shù)，則可把輸入功率因數(shù)提高到接近1，輸入電流諧波成份也會(huì)大幅度降低；
　·在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以整機(jī)效率低，10KVA以下的UPS為80%左右，50 KVA的可達(dá)85-90%，100 KVA以上的可達(dá)90--92%。
4、 雙逆變電壓補(bǔ)償在線式技術(shù)是由美國APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成產(chǎn)品的，同樣是雙逆變電路結(jié)構(gòu)，同樣是在線工作，但是，由于它成功地把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理用到了UPS的主電路中，相對雙逆變在線式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境并且不干擾破壞電網(wǎng)、在輸出能力和可靠性等多項(xiàng)UPS主要指標(biāo)方面都有了新的突破。APC Silcon稱此電路結(jié)構(gòu)為Delta逆變技術(shù)。

圖（四）中各環(huán)節(jié)的功能為： 
·逆變器（Ⅰ）：它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器（高 頻）的付邊串聯(lián)在UPS主電路中，其功能有三個(gè)：
第一：對UPS輸入端進(jìn)行輸入功率因數(shù)補(bǔ)償，并抑制輸入電流諧波；
第二：與逆變（Ⅱ）一起，完成對輸入電壓的補(bǔ)償，當(dāng)輸入電壓高于輸出 電壓額定值時(shí)，逆變器（Ⅰ）吸收功率，反 
 
極性補(bǔ)償輸入輸出電壓的差值，當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓額定值時(shí)，逆變器（Ⅰ）輸出功率，正極性補(bǔ)償輸入輸出電壓的差值；
第三：與逆變器（Ⅱ）一起完成對電池的充電和浮充功能。
·逆變器（Ⅱ）：該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個(gè)：
　第一：同逆變器（Ⅰ）一起，完成對輸入輸出電壓差值的補(bǔ)償；
　第二：同逆變器（Ⅰ）一起完成對電池的充電和電壓浮充功能；
　第三：隨時(shí)監(jiān)測輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，對輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進(jìn)行補(bǔ)償，使其不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響；
　第四：當(dāng)市電掉電時(shí)，全部輸出功率由逆變器（Ⅱ）給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。
　

圖（五）是雙逆變電壓補(bǔ)償在線式UPS在各種情況下電流和功率傳輸示意圖（這里假定UPS效率為100%）
 
雙逆變電壓補(bǔ)償在線式的性能特點(diǎn)如下：
    因?yàn)槟孀兤鳎á颍╇S時(shí)監(jiān)視控制輸出電壓，并通過逆變（Ⅰ）參與主回路電壓的調(diào)整，所以不管市電有無，都可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真等指標(biāo)，都是比較高的。
    市電掉電時(shí)，輸出電壓不受響應(yīng)，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間。并且，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時(shí)，也由逆變器（Ⅱ）調(diào)整補(bǔ)償?shù)?，所以是典型的在線工作方式。
    當(dāng)市電存在時(shí)，逆變器（Ⅰ）和（Ⅱ）只對輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器承擔(dān)的最大功率（當(dāng)輸入電壓處于上限和下限時(shí)）僅為輸出功率的20%（相當(dāng)于輸入電壓變化范圍），所以功率強(qiáng)度很小（1/5），功率余量大，這就大大增強(qiáng)了UPS的輸出能力，與雙逆變在線式相比，過載能力增強(qiáng)（200%,1分鐘），不再對負(fù)載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負(fù)載，不再對負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行限制，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的KVA值。
·逆變器（Ⅰ）同時(shí)完成了對輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。
    在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機(jī)效率在很大的功率范圍內(nèi)都可達(dá)到96%。
    在市電存在的情況下（UPS連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的99%是有市電的），逆變器功率強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)值（逆變器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整機(jī)的壽命和可靠性必然大幅度提高。 [!--empirenews.page--]

二、 四種電路結(jié)構(gòu)UPS的性能特點(diǎn)
　　四種結(jié)構(gòu)形式的UPS并存，這是目前UPS技術(shù)和市場的現(xiàn)實(shí)，這種現(xiàn)象是在對UPS使用要求不斷提高和UPS技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中形成的，如果從技術(shù)先進(jìn)性、主要性能指標(biāo)（對電網(wǎng)的適應(yīng)能力，輸出能力和可靠性）的優(yōu)劣、輸出功率等級、生產(chǎn)成本、不同的使用場合等方面做一下綜合性的比較，可以肯定，雖然這四種類型的UPS將并存下去，但必然會(huì)在使用過程中不斷改進(jìn)技術(shù)，提高性能，當(dāng)然，優(yōu)勝劣汰也是在所難免的。
　　但是，由于UPS功能概念發(fā)生了變化,對UPS硬件技術(shù)提出更高的要求,這種要求可用"實(shí)用、可靠"四個(gè)字來概括，換句話說，目前的UPS的各種性能指標(biāo)，雖然基本上可以滿足作用者的要求，但還有很多局限性和不足之處。
    UPS做為一級供電設(shè)備，在性能指標(biāo)方面，應(yīng)該滿足哪些供電設(shè)備（使用者）的要求，應(yīng)該對負(fù)載做出什么樣的承諾呢，就目前情況看，這個(gè)問題既明確，似乎是不言而喻的事，但又存在著對使用者的誤導(dǎo)現(xiàn)象，造成在評價(jià)一臺UPS性能優(yōu)劣時(shí)的好壞不分、良莠不齊的現(xiàn)象。
下面的幾種傾向和觀點(diǎn)是值得研制生產(chǎn)者和使用者注意的：
1、 不應(yīng)該過分追求對常規(guī)指標(biāo)的高標(biāo)準(zhǔn)要求
    所謂常規(guī)指標(biāo)，是指諸如輸出電壓穩(wěn)定精度、失真度、頻率穩(wěn)定精度、相差（三相）、電壓平衡度（三相）、轉(zhuǎn)換時(shí)間（后備式UPS以及在線式向旁路轉(zhuǎn)換）、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，這些指標(biāo)代表了UPS輸出電壓的質(zhì)量。事實(shí)上，當(dāng)前各品牌的UPS在這些指標(biāo)方面都已達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，對滿足負(fù)載的要求來說，已綽綽有余，是否可以這樣說，這些常規(guī)指標(biāo)是供電設(shè)備輸電電壓指標(biāo)性能必須具備但并不苛刻的條件，可是令人擔(dān)心的是，當(dāng)前一些UPS廠家多以這些指標(biāo)的高標(biāo)準(zhǔn)做為自己品牌的UPS的質(zhì)量標(biāo)志，而用戶也常常以這些規(guī)格指標(biāo)的優(yōu)劣做為評價(jià)和決定是否選購的條件。

2、 不應(yīng)該輕視甚至忽視對UPS輸出能力和可靠性的考察
    UPS做為一級供電設(shè)備，首先要求它在復(fù)雜的電網(wǎng)環(huán)境下能正常投入運(yùn)行，并且不對電網(wǎng)造成干擾和破壞；二是要全面的改善電網(wǎng)質(zhì)量；三是要考察它的輸出能力和可靠性。特別是第一點(diǎn)和第三點(diǎn)，當(dāng)前的UPS還有很多不足之處。對于電網(wǎng)環(huán)境，輸入電壓可變范圍不夠，（例如±15%）不能適應(yīng)我國電網(wǎng)電壓
    變動(dòng)幅度較大的實(shí)際情況，UPS輸入功率因數(shù)低（例如0.8左右），輸入電流諧波大（≥10%），對電網(wǎng)電壓有干擾和破壞作用，至于輸出能力，存在的局限更明顯，與真正的電網(wǎng)供電能力相比要差得多，例如對特殊負(fù)載，諸如強(qiáng)容性負(fù)載，強(qiáng)感性負(fù)載，非周期性沖擊負(fù)載，周期性沖擊負(fù)載，負(fù)載故障乃至人為誤操作故障所造成的對UPS輸出的破壞性威脅。如果直接用電網(wǎng)供電，電網(wǎng)容量以及配電部件（變壓器、開關(guān)、保險(xiǎn)等）是可以承受的。而用UPS供電則沒有把握，事實(shí)上，UPS往往是在啟動(dòng)過程和上述特殊負(fù)載和故障中損壞的。在使用中，使用者要用前級附加交流穩(wěn)壓設(shè)備解決UPS（特別是大功率UPS）允許電網(wǎng)電壓變化范圍不夠大的問題，至于輸入功率因數(shù)低和諧波電流大，只能無可奈何的任其存在了。在輸出能力方面，UPS廠家對負(fù)載提出了種種限制，例如輸出電流峰值系數(shù)（一般不能超過3:1）、非周期性沖擊負(fù)載（增加UPS配電容量）、負(fù)載功率因數(shù)（一般在0.8左右，使UPS標(biāo)定的KVA≠KW）
等，同真實(shí)的電網(wǎng)相比，這些限制是不應(yīng)該有的，這些限制反映了UPS輸入輸出能力的局限性，應(yīng)該說，輸出能力和可靠性才是UPS硬件技術(shù)最關(guān)鍵的指標(biāo)。
3、 關(guān)于轉(zhuǎn)換時(shí)間的問題
    廠家的宣傳和媒介的誤導(dǎo)，使用戶錯(cuò)認(rèn)為在線式UPS沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間的UPS的性能就高人一等。這是一種偏見，請看下面兩個(gè)事實(shí)：

第一：后備式UPS只在市電掉電一種情況下存在轉(zhuǎn)換時(shí)間，而在線式UPS不僅在逆變器故障時(shí)存在逆變====旁路的轉(zhuǎn)換時(shí)間，由于逆變器輸出能力有局限，當(dāng)負(fù)載故障、過載和啟動(dòng)時(shí)（存在沖擊電流）也存在向旁路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。
第二：當(dāng)負(fù)載輸入端存在整流濾波電路（例如計(jì)算機(jī)）時(shí)，負(fù)載輸入電流只在正弦波電壓峰值時(shí)存在，電流脈沖寬度只有3-4ms（與負(fù)載量及電路參數(shù)有關(guān)），也就是說, 每10ms期間，就有6-7ms是斷電的，每秒鐘要斷電100次，從這個(gè)意義上看，不間斷電源是不存在的，或者說是不必要的。問題在于UPS轉(zhuǎn)換時(shí)間的大小，一般計(jì)算機(jī)輸入整流濾波電路的貯能可維持負(fù)載供電的時(shí)間為幾十毫秒。而目前后備式UPS的轉(zhuǎn)換時(shí)間都能控制在4ms以下，對負(fù)載基本上不造成任何影響。
4、 關(guān)于UPS的輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波
　 雙逆變在線式UPS，其AC/DC逆變器多為整流濾波電路，它的輸入功率因數(shù)低，一般只在0.8左右，輸入電流諧波大，可達(dá)30%，加專門濾波措施后，也僅能降到10%。輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流則干擾破壞電網(wǎng)，特別是三相大功率UPS。這兩項(xiàng)指標(biāo)的危害很大，形成所謂的電力公害，使由同一電網(wǎng)供電的變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等產(chǎn)生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化；引起異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，振動(dòng)加劇，噪聲增大；引起繼電器和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作；高次諧波對通訊線路、測量儀器產(chǎn)生輻射干擾；影響電能計(jì)量的精度等。所以，UPS的輸入功率因數(shù)和輸入諧波電流應(yīng)被視為重要性能指標(biāo)之一，應(yīng)該把輸入功率因數(shù)>0.95，輸入電流諧波<5%，做為判定UPS性能指標(biāo)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)之一。 5、 關(guān)于UPS的頻率穩(wěn)定度
　　UPS的輸出的常規(guī)指標(biāo)中有頻率穩(wěn)定精度一項(xiàng)，特別是雙逆變在線式UPS，把此指標(biāo)標(biāo)定為<±1%(甚至是0.1)，但這只是在市電掉電后由電池供電時(shí)的情況，UPS萬分之九十九的時(shí)間是在有市電的情況下運(yùn)行時(shí)，此時(shí)UPS無頻率穩(wěn)定可言。在線式UPS為防止由逆變器轉(zhuǎn)旁路時(shí)因逆變器輸出短路而損壞，在正常運(yùn)行時(shí)，要求逆變器工作頻率和相位都是要跟蹤輸入電網(wǎng)電壓的，所以標(biāo)識UPS頻率穩(wěn)定的高指標(biāo)是沒有意義的，況且，一般電子設(shè)備在輸入電源頻變化范圍為±3%時(shí)絲毫不影響其正常工作。
6、 關(guān)于效率與可靠性
    UPS的工作效率高時(shí)，意味著節(jié)省電能，是綠色電源的標(biāo)識之一。但還應(yīng)該注意到效率與可靠性是密切相關(guān)的，效率高意味著電路技術(shù)先進(jìn)，元器件選用得好，意味著功率器件功率損耗小，功率強(qiáng)度小，溫度低，這必然會(huì)增強(qiáng)元器件乃至整機(jī)的壽命和可靠性。
7、 輸出能力與可靠性
    輸出功率因數(shù)、輸出電流波峰系數(shù)、輸出過載能力、輸出不平衡負(fù)載的能力等指標(biāo)，直接反映了UPS的輸出能力，對這些指標(biāo)的限制，說明了UPS輸出能力的局限性和脆弱的一面，盡管在配置UPS容量時(shí)盡可以使負(fù)載量滿足UPS的要求，甚至留出很大的余量，但這些指標(biāo)卻直接反映了UPS的可靠性。過載能力強(qiáng)的，允許輸出電流波峰系數(shù)高的，對負(fù)載功率因數(shù)限制小的，在同樣電網(wǎng)環(huán)境和負(fù)載條件運(yùn)行，其可靠性必然高，這是毋容置疑的道理。 
　　下表是在市電存在的情況下對各類UPS運(yùn)行參數(shù)的比較，當(dāng)市電掉電轉(zhuǎn)為由電池供電時(shí)，各類UPS都是由DC-AC逆變器供電，運(yùn)行參數(shù)沒有本質(zhì)的區(qū)別。