UPS重点知识介绍

第五章不间断电源（UPS）

第一节概述

U PS是不间断供电电源系统(Uninterruptible Power System)的英文简称，是能够持续、稳定、不间断向负载供电的一类重要电源设备。从广义上说，UPS包含交流不间断电源系统和直流不间断电源系统。长期以来，电信业已习惯于把交流不间断电源系统称为UPS，故本章讨论的UPS也是界定在的交流不间断电源系统的范围。

随着计算机的普及和信息处理技术的不断发展，为了保证计算机的正确运算，控制信号不出现丢失，保证设备的安全运行，人们对供电电源质量提出了越来越严格的要求。计算机类或其他敏感先进仪器设备，除要求供电系统具有连续可靠之外，还要求市电供电系统的输出，保持良好的正弦波形且不带任何干扰。

一、市电供电电源质量问题

目前，我国市电供电电源质量一般为：电压波动±10%，频率50Hz±0.5Hz，有些地区，还达不到这个标准。而市电电网中接有各式各样的设备，来自外部、内部的各种噪声，又会对电网形成污染或干扰，甚至使电网污染十分严重。这些污染主要有以下几种。

（一）电压浪涌

电压浪涌是指一个周期或多个周期，电压超过额定电压值的110%。比如重型设备的关机，由于电网中电流突然消失，其线路电感（分布参量）反电势造成电压上升；另一方面，线路电阻上电压降的突然消失，也会造成电压上升。

（二）电压尖峰

电压尖峰是指在二分之一周至100ms期间内，叠加达6000k V以上的电压脉冲。这主要由雷电、开关操作，电弧式故障和静电放电等因素造成。

（三）电压瞬变

电压瞬变是指在10ms至100ms期间，叠加在市电电压上达20 k V的脉冲电压。它的产生大致和电压尖峰差不多，只是在量上有区别。

（四）噪声电压

噪声电压是指叠加在工频电压上的低幅度，而频率范围很宽的高频分量。这种现象，在电网中很普遍，它的产生一般是电机电刷打火，继电器动作，广播发射，微波空中传播，电

弧焊接，远距离雷电等。

（五）过压

过压是指超过电网电压正常有效值一定百分比的稳定高电压。一般是由于接线错误，电厂或电站的误调整，附近重型设备关机。对单相电压而言，也可能是由于三相负荷不平衡或者是中线接地不良等原因造成。

（六）电压跌落

电压跌落是指一个或多个周期电压低于80%～85%额定电压有效值。主要是由于附近重型设备的启动或者电动机类机器启动造成。

（七）欠压

欠压是指低于正常市电有效值一定百分比的稳定低电压。这主要是由于这负荷而造成电网电压的降低。

（八）电源中断

电源中断是指超过一周期的无电状态。

以上污染或干扰对计算机或其他敏感先进仪器设备所造成的后果不尽相同。如电源中断，可能造成硬件损坏；电压跌落，可能会使硬件提前老化、文件数据受损；过压或欠压、浪涌电压等，可能会损坏驱动器、存储器、逻辑电路，还可能产生不可预料的软件故障；噪声电压和瞬变电压以及电压叠加，可能损坏逻辑电路和文件数据等等。

大家都知道，这些污染或干扰，供电电网是较难避免的，而这些污染或干扰对于计算机的动作，对于要求市电输出保持良好正弦波形且不带干扰的设备来说又是十分不利的。

为了保证计算机类或其他敏感先进仪器设备的安全运行，为了满足计算机类或其他敏感先进仪器设备，对供电电源质量提出的严格要求，而发展和普及起来的一种新型供电系统（Uninterruptible Power System），称为“不间断电源系统”或“不停电供电系统”，简称UPS。

二、UPS分类

随着半导体技术的发展，采用了大功率逆变技术和强电流电子开关，来实现大功率的电能转换。这种电能转换电路，不论是主电路还是其他控制电路，均采用半导体固体器件，故称固态不停电电源或静止型不停电电源，简称静态UPS。静态UPS的基本框图如图1-5-1所示。

1、当市电中断后，UPS以蓄电池组作为电源继续向负载供电，依据蓄电池组容量的大小，可以供电10分钟至数小时。在此期间，若市电不能恢复，则可以启动柴油发电机代替市电供电。

2、在线式UPS具有稳压和稳频的功能，还可以降低电源的噪声，改善工作条件。目前这种系统的电压稳定度一般小于1%，频率稳定度一般小于0.5%，噪声一般小于80d B。另外，还能抑制和消弱输入电压波形的下陷、尖峰、浪涌、下跌和消除高次谐波等现象。

3、不需要固定地基，可能随移动，工作时没有振动，使用方便，并且有比较完备的保护、报警功能。静态UPS由于具有以上特点，所以发展很快。特别是在大功率晶体管，门极控制开关（GTO）等半导体器器件快速发展的情况下，UPS已发展成为晶体管化的、微机控制的现代UPS。

静态UPS从工作方式上可分为三类，后备式（OFF－LINE）UPS；在线式（ON－LINE）UPS；三端口UPS和

（一）后备式UPS

后备式UPS的含义是：在外电电网电压正常时，UPS的任务主要是对自身蓄电池进行充电，其输出电压就是输入电网的电压。也就是说，市电经过开关S1、S2就供给了负载，它没有对市电进行转换，逆变器此时只处于备用状态。当外电电网异常时，才把蓄电池组电源，通过逆变器变换后，经过开关S3供给负载。这种UPS供给的电源，不能抑制和隔离电网中的各种噪声和干扰，输出的电压不是稳压稳频的，最多是在输出变压器上增加一些抽头，进行简单的调压而已。所以，精密负载及电网电压较差的地区是不宜使用这种后备式UPS的。但在电网电压质量较高的地区，使用这种UPS是可以的，因为这种UPS的线路简单，成本较低。

（二）在线式UPS

在线式UPS的含义是：即使在电网电压正常供电时，UPS的输出，也是将外来电压经过本身的加工转换后再供给负载。也就是说，即使是在电网电压正常时，市电也是经过变压器→整流滤波→逆变器→变压器→开关S3（S3闭合，S2断开）→输出。这种UPS将市电隔离，在市电正常时，过滤市电，供电负载纯净的电源。在市电不正常或发生故障时，UPS以蓄电池组为输入电源继续向负载供电，保证负载边疆不断地稳定工作。所以，负载即使实时控制信号，也不会因市电中断而出现丢失或差错。它之所以具有这样的性能，其根本原因是，它有一个或多个储能环节和能量的变换装置，将市电隔离过滤后再供给负载纯净的电源。一旦市电异常，依靠这些储能和能量变换装置，继续向负载提供高质量的电源，以实现不间断供电的要求。

这里也想告诉用户，不间断并不意味着UPS没有故障或绝对的不间断供电，但它可以将重要负载，最终因供电中断造成的停机率，下降到设备所能允许的程度。在目前情况下，已能使平均无故障时间达到数万小时，甚至10年以上。当然，为了达到不间断供电的目的，还可从技术上采取措施，如将两台UPS并联使用。当一台UPS故障时，另一台可以继续担负全部负载的供电，以实现更高一级的不间断供电要求。

（三）三端口UPS

三端口UPS是在1982以后年出现的，其核心部分是有一个双向变换器（既逆变又整流）。

路，整流/逆变器既有市电输入，又有逆变输出，同时又给电池充电。从图1-5-2框图可以看出，在线式UPS要经过二次变换，即交流→直流→交流→负载。而三端口UPS，经过一次变换就供给了负载。

第二是三端口UPS所使用的变压器，不是一般的稳压变压器，而是一个铁磁谐振变压器。这样，当初级电压变化时，次级电压基本维持不变；逆变器在市电正常情况下也工作，没有切换时间，并在控制电路的作用下，调整逆变器输出电压的幅度与相位，保证逆变器输出电压的稳定；在市电不正常或发生故障时，系统由蓄电池组作为输入电源继续向负载供电，保证负载不间断的稳定工作。

三端口UPS电压、频率不够稳定，带非线性负载的能力也比较差，但成本较低，仍然有较好的性能价格比。

1、最新的功率变换技术

新一代UPS采用性能、工艺成熟的IGBT功率器件，使功率变换电路的载波频率高达50kHz。变换电路频率的提高，使得用滤波的元件电感、电容大量减少，UPS的效率、噪声、体积、动态响应特性和精度都有明显的提高。

2、高档微处理器控制

新的UPS采用计算机数字化控制系统，使用87C196KC16高档微处理器（16位机，主频达16MHz，中断达28级）。由于采用了高档微处理器的控制电路，大大提高了整机的实时响应速度，使之具有很强的故障诊断能力，自身保护能力和通信能力。

3、功率因数补偿技术

新一代UPS的输入端采用功率因数补偿技术，使得UPS的输入功率因数达到0.98以上。

4、智能化的临控系统

智能化的临控系统用于临视控制UPS运行状态，修改UPS内部参数，测量各种电网参数，记录有关电网干扰出现的时间和有关信息，临测UPS各部分的工作状态和故障信息等等。

5、完善和通讯功能

新一代UPS使用计算机管理UPS，还可以实现异地的监控管理和快速故障诊断服务。

第二节 UPS基本原理

一、后备式UPS

后备式UPS是UPS的最初形式，后备式UPS的电路结构如图1-5-4所示。

图1-5-4 后备式UPS的电路结构

各单元的功能：

（1）充电器

当市电正常时，充电器对蓄电池进行充电和浮充电。

（2）DC／AC逆变器

当市电存在时，逆变器不工作；市电中断时，由它将直流电压（由蓄电池供给）转变为符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、淮方波和正弦波三种形式。

（3）输出转换开关

当市电存在时，输出转换开关接通输人电源，向负载供电；市电中断时输出转换开关在断开市电回路的同时接通逆变器，继续向负载供电。

（4）自动稳压器

市电存在时，自动稳压器可用来调节和稳定输出电压。

后备式UPS的工作原理为：当电网供电正常时，市电通过整流器对蓄电池进行充电，同时市电通过自动稳压器初步稳压，吸收部分电网干扰后，再由旁路转换开关直接提供给用户。此时，蓄电池处在充电状态，直到蓄电池充满而转人浮充状态。UPS相当于一台稳压性能较差的稳压器，仅对市电电压幅度波动有所改善，对电网上出现的频率不稳、波形畸变等“电污染”调整能力不强。

当电网电压或电网频率超出UPS的输入范围时，即在非正常的情况下，交流电的输入已被切断，充电器停止工作，蓄电池进行放电，在控制电路的控制下逆变器开始工作，使逆变器产生220V、50Hz的交流电，此时UPS供电系统转换为由蓄电池—逆变器继续向负载供电。后备式UPS 的逆变器总是处于后备供电状态。

后备式UPS的优点是：产品价格低廉，运行费用低。由于在正常情况下逆变器处于非工

作状态，电网电能直接供给负载，因此后备式UPS的电能转换效率很高。蓄电池的使用寿命一般为3～5年。

后备式UPS的缺点是：当电网供电出现故障时，由电网供电转换到蓄电池经逆变器供电瞬间存在一个较长的转换时间。（10～20ms）对于那些对电能质量要求较高的设备来说，这一转换时间是不允许的。再者，由于后备式UPS的逆变器不是经常工作的，因此不易掌握逆变器的动态状况，容易形成隐性故障。后备式UPS一般应用在一些非关键性的小功率设备上。适合不太重要的单台PC机使用。

二、在线式UPS

采用后备式UPS时其供电的技术指标都不如在线式UPS。所谓在线式，是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态，在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换后再供给负载。当然为了提高系统的可靠性，双变换在线式UPS一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般为采用可控硅（SCR）方式的静态开关。在过载或双变换电路部分故障时负载由旁路供电，这是非正常工作状态，这种情况出现的概率比电网不正常概率要小得多。功率较大的UPS在此基础上还增加了手动旁路（维修开关），用于维修时保证负载继续运行。目前在用关键设备对电源要求相当高、输入功率也相当大，大量采用了在线式UPS。这是我们维护工作的重点和难点，也是我们学习的重点和难点，下面我们重点讨论在线式UPS。如不作说明，UPS就是指在线式UPS。

在线式UPS由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成，如图所示。

在线式UPS的输出电压波形通常为标准正弦波。

市电正常时，输入电压经整流滤波电路后，给逆变器供电，逆变器输出经过输出变压器输出滤波电路将SPWM波形变换成纯正弦波。同时，整流电压经充电器给蓄电池补充能。在这种工作状态下，市电经整流滤波器、逆变器及静态开关给负载供电，并由逆变器完稳压和频率跟踪功能。

市电正常但逆变器出现故障或输出过载时，UPS工作在旁路状态。静态开关切换到市电端，市电直接给负载供电。如果静态开关的转换因逆变器故障引起，UPS 将发出报警信号，如果因过载引起静态开关转换，过载消失后，静态开关将重新切换到逆变器端。控制监测、

显示告警及保护电路提供逆变、充电、静态开关转换所需的控制信号，并显示自的工作状态。UPS出现过压、过流、短路、过热时，及时报警并同时提供相应保护。比如，负载发生短路时，保护电路很快关断逆变器，使其免受损害，静态开关也不转换到市电，短路消失后，逆变器重新启动，恢复供电。

在线式UPS中，无论市电是否正常，都由逆变器供电，所以市电故障瞬间，UPS的输出不会间断。另外，由于在线式UPS加有输入EMC滤波器和输出滤波器，所以来自电网的干扰能得到很大衰减；同时因逆变器具有很强的稳压功能，所以在线式UPS能给负载干扰小、稳压精度高的电压。

三、运行注意事项

1.UPS的电源连接

①UPS的配电箱所使用的开关不宜选用老式的刀闸开关，因为这种开关在接通或切断电源时有拉弧现象，会对电网产生干扰。另外，不可使用熔断式保险丝，因为其过流响应速度慢，在负载或UPS短路时不能及时切断电源，从而会对设备造成危害。所以应采用空气开关，这种开关不仅有消弧和负载短路时响应速度快的功能，而且有漏电保护和过热保护等功能。

②空气开关的容量选用应适中，开关容量过大会造成在过流或负载发生短路时起不到保护作用，过小会经常造成市电中断。

③市电电压的波动范围应符合UPS输人电压变化范围的要求。目前市售的绝大数UPS 都具有抗干扰、自动稳压功能，一般没必要再外加抗干扰交流稳压器。如市电电压波动较大，应在UPS前级增加其他保护措施（如稳压器等），可以将交流稳压器用作UPS的输人级。

④使用UPS时，应务必遵守厂家产品说明书中的有关规定，保证所接的相线、零线及地线符合要求，用户不得随意改变其相互的顺序。

⑤外接蓄电池至UPS的距离应尽量短，导线的截面面积应尽量大，以增大导电量和减小线路上的电能损耗。特别是在大电流工作时，电路上的损耗是不可忽视的。

2．UPS的防雷接地

雷击是所有电器的天敌，一定要注意保证UPS的有效屏蔽和接地保护。为防止寄生电容耦合干扰以及保护设备及人身安全，UPS必须接地且接地电阻不可大于1欧姆。

3．UPS的工作环境

UPS主机对环境温度要求不高，工作时环境温度要求为0℃～40℃，湿度为10%～90％。UPS在摆放时应避免阳光直射，并留有足够的通风空间。UPS的工作环境应保持清洁，避免有害灰尘对UPS内部器件的腐蚀，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作不正常。蓄电池对温度

要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超出－15℃～＋30℃的范围。

4．UPS的安全操作

严格按照正确的操作顺序进行操作，避免误操作。

四、UPS日常维护

1．清洁和检查

UPS在正常使用时，主机的维护工作很少，主要是防尘和定期除尘。机内的风机会将灰尘带人机内并沉积下来，造成电气参数的变化，当空气潮湿时会引起主机控制紊乱，造成主机工作失常并发生不准确告警。

2．蓄电池

UPS电池一般为密闭式免维护电池，但建议每年做一次放电测试，并观察电池容量变化，以了解目前电池状态。其它电池保养检测方法同前

一般在室温条件下，正常使用时密封免维护铅酸电池的浮充使用寿命为3-5年。

3．提高使用维护水平

从已安装使用的UPS供电系统的使用维护情况来看，使用者不维护，维护者不使用。UPS 已经具备的智能管理和通讯功能没有得到充分的发挥。在实际的运行维护中，使用者和维护者处在不同专业，由此决定其UPS管理技术的应用水平相对不高。存在着诸多隐患。如：使用者对系统中所有设备不能均匀配置，造成三相不平衡。系统中零地电压差过大。使用不当错误接入谐波电流大和启动冲击电流大的设备。系统中电力传输线过长和布局零乱而易产生干扰和发生人为事故。对UPS电气性能不清楚。维护者对UPS监测监控信息和显示功能不熟悉、对UPS运行时的常规维护要求执行不严格，对负荷电气性能不清楚。这些问题应引起我们的足够重视。

第三节UPS系统的冗余

在 UPS 应用中，为了提高系统运行的可靠性，往往需要将多台UPS进行冗余连接，这种冗余连接技术包括热备份连接（串联连接）和并联连接两种方式。

一、并联连接

由于UPS输出阻抗存在差异，加之逆变器输出电压和市电电压的误差，且各UPS之间的电压存在相位差和幅值差，因此，UPS并联技术实现难度和风险都比较大，一般仅在大功率应用场合才会采用该技术。UPS并联连接必须注意以下事项：

1、保证UPS相位和幅值相同，使各UPS之间不出现破坏性环流，当系统中并联的UPS 越多，出现环流的机率也越大，系统带载能力及可靠性也就越差。

2、当并联UPS系统中任一台出现故障时，不能将负载单独转为旁路，而是将负载分摊到与其并联的其它UPS上，从而对其它UPS造成冲击或过载，影响系统工作的可靠性。需要提出一个理解误区：用户往往以为并联就是简单的相加，二台10KVA的UPS并联，最大可带20KVA，现在带上14KVA应该可以。其实不然，因为只要其中的一台UPS发生故障，14KVA 的负载将被强行加在另一台UPS上，这对UPS的工作性能非常不利，不可长期工作，最终还是交由旁路供电，从而降低了系统的可靠性。因此，如果系统要求N+1冗余（N>1），可以使用并联冗余，而对1+1冗余，其可靠性与选择热备份连接方式基本一致。

3、为了保证并联连接工作正常，必须在原UPS的基础上增加并联柜、并联板和并联静态开关等，这必然会增加用户投资。有些厂家的产品还需要现场调试，在使用过程中增减UPS时，须重新调试并联均流问题，增加了维护难度与成本。

并联技术的优点在于其动态性能好，扩容方便等，组建大容量系统时，一般都采用并联技术，爱默生公司的iTrust UPS的UH33系列最多可以并联8台，调试也比较简单。

(少图)

二、热备份连接

热备份连接相对比较简单，稳定度和可靠性也较高，它只需将一台UPS（如UPS1）的旁路输入端与市电断开，连接到另一台UPS（如UPS2）的输出端，如图1-5-所示。

载市电

图1-5- 热备份连接

正常情况下UPS1向负载供电，UPS2处于热备份状态空载运行，当UPS1故障时，UPS2投入运行接替UPS1向负载供电。由于热备份连接不存在高风险的均流问题，因此系统稳定，

可靠。其缺点是过载能力、动态和扩容能力较差。但大功率UPS一般过载能力非常强，125%额定负载可坚持5分钟，150%额定负载可以坚持10秒，大于150%额定负载可坚持200ms，动态为 60ms±5%。这个指标已和并联技术的指标相同，故在用户对系统可靠性要求非常严格的情况下，建议采用热备份方式连接UPS。

目前，热备份连接主要采用主从备份技术，其缺陷在于两台UPS的老化不均，如果主机在较长时间内没有出现故障，则从机一直空载运行，从而造成主、从机元器件的老化严重不均，当主机出现故障后将负载转到从机，可能会由于从机瞬间无法承受突加的重载而将负载甩给市电，造成系统崩溃。

爱默生公司采用无主从热备份技术很好地解决了上述瓶颈，在iTrust UPS产品中采用全数字控制技术，通过软件设定，使二台UPS交替工作：主机工作一段时间后，将负载平滑交给备份机；备份机工作一段时间后，又将负载平滑交还给主机。交接时间可通过设置进行选择，如一周、一个月、三个月或者半年。无主从热备份技术避免了两台UPS老化不均的问题，从而保证了系统的稳定性和可靠性，降低了系统故障率。