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    一、UPS電源工作原理

    UPS電源按輸出波形可分為方波輸出和正弦波輸出兩大類。按其操作方式可分為后備式和在線式。其中后備式UPS電源，在市電正常供電時，由市電直接向負載提供電源。當市電供電中斷，蓄電池才對逆變器供電，并由UPS的逆變器對負載提供交流電源。即UPS電源的逆變器總是處于對負載提供后備供電狀態(tài)。而對在線式的UPS電源來說，它平時是由交流電→整流→逆變器方式對負載提供交流電源，一旦市電中斷時，UPS改由蓄電池→逆變器方式對負載提供電源。只有當蓄電池放電至終了電壓時，由控制電路發(fā)出信號去控制自動切換開關，轉換成由另一路交流旁路的市電供電。市電恢復供電后，UPS又重新切換到由逆變器對負載提供電源。因此，在線式UPS電源，在正常情況下，總是由UPS電源的逆變器對負載供電，這就避免了所有由市電電網帶來的任何電源波動及干擾對負載供電所產生的影響。顯然，它的供電質量明顯優(yōu)于后備式UPS電源。在線式可以實現對負載的穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電。然而，后備式UPS電源由于運行效率高，噪音低，價格相對便宜。

    二、UPS采用的先進技術

    （一）采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），作為逆變功率器件

    其主要特點如下：

    大大降低逆變器換流損耗以及交流濾波器的損耗，因此，逆變器的效率提高，整機效率可達94%～96%；

    由于IGBT的開關頻率在20 KHz～50KHz，明顯提高了逆變器的性能，使輸出電壓諧波含量大為減少（<1.5%），動態(tài)響應更好；

    IGBT用于電壓控制器，驅動電路簡單，同時它有正方形的開關安全工作區(qū)，并有高的峰值電流容量，使逆變器可靠性進一步增加；

    由于IGBT逆變器的高頻化，減小輸出交流濾波器的尺寸，也相應減小了損耗，使整機體積小，噪音低；

    高可靠，長壽命。

    （二）微處理器數字化控制

    控制系統(tǒng)采用先進的計算機數字控制技術及模擬量計算機控制技術，即通過主/協(xié)結構完成系統(tǒng)控制。

    系統(tǒng)由整流/充電器、逆變器、靜態(tài)開關3個協(xié)處理器單元和一個模擬量計算機單元承擔其所有的數據采集，模擬運算功能調整等工作，然后送到主處理器進行集中控制，綜合處理，記錄存檔和顯示最終處理信息。借助這種計算機高速數據處理技術，充分發(fā)揮其系統(tǒng)硬件和軟件特點，提高UPS實時控制、保護和監(jiān)測能力。

    （三）控制實施通道

    目前UPS的硬件系統(tǒng)基本上是由整流器、逆變器、靜態(tài)開關三大部分加上微機系統(tǒng)所組成，其數據采集是通過極為精確的霍爾器件，以及最新高速A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字形式，最終納入協(xié)處理器和主處理器通道。根據UPS功能和用戶需要，這些信號將用來實現UPS控制，調整，監(jiān)測和保護之目的。

    分布在UPS三大部分的霍爾傳感器采集兩類信號：開關信號――主要反應各部件開關操作，保險開關操作，熱繼電器等的工作狀態(tài)；模擬信號――反映輸入、輸出、電壓、電流、頻率以及充電電壓、電流等參數。

    （四）高速數據處理結構

    UPS控制系統(tǒng)中，采用計算機高速數據處理的主/協(xié)結構，增加數據采樣點及數字控制診斷軟件，高速A/D、D/A轉換設計。UPS運行異常往往反映在各主要波形異變上，因此，對于各點取樣的模擬信息必須先進行A/D轉換，驅動執(zhí)行機構完成最終控制。

    （五）控制和診斷軟件

    控制軟件實現各類信號的采集，處理運行狀態(tài)的自動監(jiān)測、調整以及管理功能。

    診斷軟件是故障診斷的專家系統(tǒng)。UPS出現異常后，該系統(tǒng)能迅速對故障進行診斷，推理，判明故障部件，通過顯示器（或燈光，聲音）報告給使用者，以便維修。同時自動記錄信息，生成信息檔案。
   
    （六）電池自動測試與維護系統(tǒng)

    蓄電池是UPS的貯能裝置。由于電池故障引起UPS系統(tǒng)故障的比例較高，所以對蓄電池的測試及故障診斷，顯得尤為重要。電池測試維護軟件定期自動檢測電池性能參數，為使電池處于良好的工作狀態(tài)，每隔一定周期中斷UPS交流輸入，使電池組帶載放電，激活惰性，保持電池組原有容量。在電池放電時，自動檢測電池后備容量和電壓，顯示屏顯示檢測參數，當電池組容量下降10%時，自動結束測試，以免過放電。若測得電池電壓高于或等于最佳值時，則顯示“電池正常”；反之，則顯示“電池故障”，并有聲、光報警，后備時間可能減少。

    三、提高UPS可靠性的幾種方法

    通常用兩臺或兩臺以上的單機，構成雙機或多機UPS系統(tǒng)，提高電源供電的可靠性，使在單臺UPS發(fā)生故障的同時，不會發(fā)生UPS中斷供電的情況。下面幾種連接方式，是目前常見的幾種：

    （一）主/從串聯(lián)熱備方式

圖1 主/從串聯(lián)熱備方式

    早期一般采用這種方式，它的特點是連接成本較低，技術簡單，雙機冗余提高了UPS電源供電系統(tǒng)的可靠性，但存在一些弱點：

    1．UPS本身發(fā)生故障時，可能無法切換而造成輸出中斷

    當UPS內部電源板或電源模塊發(fā)生故障時，UPS會立即停止工作，輸出中斷。此時，UPS也不可能再從靜態(tài)開關轉向旁路。這種情況發(fā)生在主UPS機上，這時既使UPS是好的也無濟于事，整個計算機系統(tǒng)的供電將被中斷。

    當UPS控制電路出現問題時，逆變器燒毀瞬時（此時不滿足切換條件）及一些其它原因，也可能會出現靜態(tài)開關打不開而造成中斷。
 
    2．切換瞬時輸出出現間斷

    UPS為保證輸出波形連續(xù)，采用先合后斷技術，即旁路通過靜態(tài)開關與逆變器輸出有一疊加過程，以保證輸出無間斷，但這兩路電壓必須滿足頻率，相位，電壓幅值完全一致，否則，將有可能造成切換過程中輸出的不連續(xù)。

    頻率正常的情況下，主UPS的負載一般為感性負載。從UPS為空載，而在電網頻率偏離UPS跟蹤頻率范圍時，UPS將啟動自身晶體振蕩器，由于兩臺UPS為獨立系統(tǒng)，無法進行“鎖相”跟蹤，如在此時發(fā)生切換過程，輸出波形將會有更大 輸出間斷時間。特別在主UPS逆變器發(fā)生故障，強行切換時，由于無法進行正常跟蹤，將有可能出現較大的間斷間時，甚至切換失敗。

    3．在供電系統(tǒng)中，增加了兩個公共故障點
   
    一旦主UPS靜態(tài)開關出現故障，此時又要求切換則會造成負載供電中斷。發(fā)生過載時，主/從UPS將依次轉旁路，這時UPS的靜態(tài)開關如出現問題，也將造成輸出中斷。

    4．設備使用效率低

    在整個供電過程中，始終有一臺UPS長期閑置不用，使用效率低，并且備份UPS的電池長期處于浮充狀態(tài)下，電池無法放電，電池壽命大大縮短。可以增加一個主、從轉換裝置，定期將主機與從機進行轉換，對主從機的電池輪流充放電，解決此問題。但是在主從轉換過程中，從機處于空載運行狀態(tài)，一旦出現切換過程，負載量將從0突變到100%，整流器和逆變器將受到大電流沖擊，易于損壞，影響正常輸出，甚至斷電。

    5．維修困難

    當主機發(fā)生故障，切換到從機供電時，用戶負載不能停機，無法關閉UPS進行維修。一旦從機出現故障，會造成整個供電系統(tǒng)中斷。

    （二）初級式并聯(lián)

圖2 初級并聯(lián)式

    初級并聯(lián)方式是幾臺（一般兩臺）UPS共用一組靜態(tài)旁路開關，同時增加并聯(lián)柜以平衡負載電流方式實現并聯(lián)。

    由于一般UPS控制系統(tǒng)多為模擬反饋電路，其輸出參數及特性隨溫度、元件參數及器件的老化而漂移，同時由于各UPS一致性較差，故這種類型的UPS無法直接并聯(lián)。為了提高供電系統(tǒng)可靠性，需要將UPS并聯(lián)使用時，為確保各并聯(lián)UPS之間輸出參量的一致性，達到同步運行的目的，要增加一個并聯(lián)柜，即在原基礎上增加一些檢測環(huán)節(jié)。同時為達到并聯(lián)UPS切換的一致性，必須將原有的各靜態(tài)線路開關拆除，共用一組靜態(tài)開關。這種并聯(lián)方式雖然比單臺或串聯(lián)熱備份方式在可靠性等方面有較大的提高，但存在以下弱點：

    1．由于這種方式僅有一組靜態(tài)開關，沒有冗余備份，當靜態(tài)開關本身出現問題時，整個供電系統(tǒng)就不能夠正常輸出，造成輸出中斷；

    2．當平衡檢測環(huán)節(jié)（即并聯(lián)柜）出現故障時，各UPS間有可能產生環(huán)流而造成逆變器燒毀；

    3．當負載為非線性負載，尤其是波峰因數較差的計算機或電機等負載時，因各UPS內部反饋系統(tǒng)參量瞬間調整，彼比互相沒有關聯(lián)而造成UPS動態(tài)一致性較差，因此會短時出現很大的環(huán)流，有可能造成逆變器的燒毀。

    （三）高級并聯(lián)方式

圖3 高級并聯(lián)

    此種方法無任何獨立部件，全部并聯(lián)冗余，實現了真正并聯(lián)，且在此系統(tǒng)中無需任何額外附加并聯(lián)柜，可靠性極高，是目前并聯(lián)技術的發(fā)展趨勢。由于采用冗余式并聯(lián)，負載分配均勻，設備利用率很高。

    高級并聯(lián)工作方式，是由并聯(lián)通訊板實現的，工作方式相當于計算機的并行工作原理。其中一臺主機為導航UPS，假設為1#機。整個并聯(lián)系統(tǒng)由導航UPS發(fā)出脈沖控制所有并聯(lián)的UPS工作（最多可并聯(lián)6臺），這時各UPS相應器件相當于并聯(lián)工作。當導航UPS（1#機）出現故障或未開機時，2#機自動升為導航機，控制其它UPS，在1#機恢復正常后，又由其進行控制。而當其它UPS出現故障時，自動退出。這種連接方式優(yōu)點是所有UPS均由一臺UPS控制信號所控制，這樣既可保證各UPS間輸出參量及動態(tài)特性完全一致，又徹底解決了初級并聯(lián)不可避免的內部環(huán)流問題，以及靜態(tài)旁路開通和跟蹤一致性的問題。

    由于這種并聯(lián)通訊工作方式具有連接簡單，可靠性高，動態(tài)性好等優(yōu)點，已開始被廣泛采用。但是此并聯(lián)方法對UPS自身技術要求較高，有些UPS很難采用這種技術。

    以上介紹了UPS的技術性能，分析了UPS的可靠性，目的在于掌握UPS的技術，更可靠地使用UPS電源，確保供電系統(tǒng)連續(xù)不間斷地提供高質量的電源。