UPS電源不同拓撲結構影響供電系統

      USP供電系統的“高可用性”要求其系統必須具備可靠性、功能 性、可維護性和容錯性四個要素，而UPS內部拓撲結構對系統的可 靠性和功能性起著決定作用?？捎眯缘年P鍵要素，尤其是可維護 行和容錯性，很大程度上取決于UPS冗余和配電系統選擇，本文對 UPS內部不同的拓撲結構進行分析和評估，說明個結構如何對“高 可用性”電源系統的四個要素產生影響的。

       一、UPS拓撲結構：離線式UPS或后備式電源(SPS) 

　　離線式拓撲結構是最簡單的一種UPS結構。正常運行情況下， 交流市電直接流經UPS直至重要負載。充電器或“4象限變流器” 將交流電轉換為直流電向電池充電。逆變器用于將電池提供的直 流電轉換成交流電，當市電故障時為負載供電。逆變器通常運行 于待機模式，保持對電池充電。

       如果市電超過規定范圍，逆變器通過電池向負載供電。該拓撲結構被稱為 “單變換”，因為在任何時候，電源只能轉換一次(交流轉換為直流或直流轉換為交流)。正常運行情況 下，少量交流電轉換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規定范圍時，UPS檢測到電源故障，切換 繼電器動作，輸出逆變器啟動逆變器將電池提供的直流電轉換成交流電，向負載供電。

 　　離線式UPS價格非常低廉，僅適合于家用或為向只需要實施斷電保護應用的單臺計算機工作站供電的情 形。有時離線式產品內置浪涌抑制和/或“降壓和升壓”電路，補償較高或較低的輸入電壓，但不嘗試提供 任何有效的輸入電源調節。

 　　離線式UPS在設計簡單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線式UPS一般應用于單相非 重要負載。尤其是不兼容發電機等不足，使其不適用于三相應用。

 　　二、UPS拓撲結構：互動式UPS 互動式UPS拓撲結構。該結構與離線式UPS產品類似，不同之處是在市電電源和負載之間按照串聯的結 構加入變壓器了或電感器。該電感器使UPS逆變器可以與輸入電源“交互”，并對連接至負載的輸出電源進 行調節。也就是說在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進行相應的調節。

 　　四象限變換器一般為恒壓設備。負載或輸入電壓變化時，四象限變換器通過調整輸出相位角，作出相 應的改變。負載頻繁的發生變化，將導致電池放電，電池的頻繁放電將大大縮短其使用壽命。

 　　互動式UPS產品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實 現隔離。頻率出現微擾和電源質量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接 影響到負載的正常工作。

 　　互動式UPS產品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實 現隔離。頻率出現微擾和電源質量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接 影響到負載的正常工作。

 　　與離線式UPS相同，互動式UPS產品價格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時向重要 負載供電，且僅在電池工作期間運作。與離線式UPS相比，互動式UPS設備由于其串聯電感器以及電源調節 功能，在效率方面有所損耗。另外，當UPS轉換為電池供電時，通常至少會出現一點(但可測)電壓跌落。

 　　發電機兼容性

 　　離線式UPS和互動式UPS產品需要輸入電源的頻率和相位非常穩定。電源頻率必須穩定，是因為逆變器 必須跟蹤電源頻率，以校準電壓和電流，這樣系統輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過電池運行。

 　　比較典型的運行問題是當啟動發電機上的其它負載時，發電機的輸出頻率將發生很大變化，從而導致 離線式UPS或互動式UPS通過電池放電。該問題在天然氣發電機組上尤為明顯。電池反復充放電，很可能導 致電池的過放電，將大大縮短電池壽命。另一個潛在問題是UPS負載加載時，發電機輸出會不穩定，也就是 說UPS負載的突加，會導致發電機電壓和頻率跌落，從而導致UPS進入電池放電的運行狀態。當發電機輸出 穩定后，UPS恢復到正常狀態，如果發電機輸出電壓再次下降時，UPS將再次進入電池放電狀態。

 　　對于雙變換UPS則不會出現上述問題。雙變換UPS調整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現較大變 化，同時繼續提供穩定的輸出頻率，而無需使用電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經開發出減少輸 出電流畸變的技術，極大地提高UPS與發電機的兼容性，使負載規格選擇更為準確。雙變換UPS容量與發電 機的容量配比可以達到1.25~1.5：1，不會發生運行問題。

 　　三、UPS拓撲結構：具有功率因數校正功能的在線性互動式結構(包括“Delta變換式”產品) 近年來，有幾家公司推出了具有功率因數校正功能的在線互動式三相UPS產品。與離線式產品和一般的 互動式產品相比，這些產品改善了電源的調控性能，提高了輸出的電源質量。

       但同時也產生了一些不利因 素，如有源功率調節會使效率降低。實際上，在帶非線性負載(一般為計算機負載)時，其效率一般都低于 雙變換UPS產品。并且這種產品結構的復雜性相對于雙變換UPS而言往往是有過之而無不及。及為容易誤導 用戶的是，該種類型的在線互動式產品甚至被標榜為“在線式”產品，因為其逆變器始終“運行”，提供 電壓調節或輸入功率因數校正。

 　　傳統意義上，這些產品應被稱為互式動UPS，即串聯變壓器和輸出逆變器與輸入市電進行互動，從而調 整輸出電壓。有些產品具有小型的輸入逆變器/充電器(有時又稱為“delta”逆變器)，用以調整輸入電 壓。小型逆變器一般與直流總線連接，直流總線為輸出(主)逆變器提供電能轉換的通道，輸出逆變器會對 輸入功率因數進行校正，斷電時將電池的能量逆變輸出提供負載供電保護。

 　　正常模式下(標準輸入電源波形，UPS負載為線性負載)，輸入隔離開關、市電輸入靜態開關和輸出隔離 開關為閉合，市電直接向負載輸出供電。輸入逆變器用作充電器，對電池系統進行浮充充電。在上述理想 (非現實)狀態下，主逆變器是不工作的。當UPS輸入電壓出現過異常情況時，delta變換器產生相應的電 壓，通過降壓/升壓變壓器與輸入電壓相疊加(相加或相減)，從而調整輸出電壓，保證其輸出的穩定。這種調控原理與當前市面上的 某些電子電壓調節器類似。當輸入電壓超出可調控范圍時，主逆變器開始工作，將電池提供的直流電逆變 輸出，提供滿幅輸出電源，這時須將市電輸入靜態開關斷開，防止電源向輸入側反灌，其作用與離線式UPS 類似。

 　　若在線互動式UPS使用整流式市電輸入靜態開關，當輸入電源出現故障時，就極容易受到故障的影響， 因為它們無法快速關閉，導致逆變器向出現故障的輸入電源端反向供電，然后關閉。

 　　在線互動式UPS(或Delta變換式)還可提供負載諧波電流和輸入功率因數校正。主逆變器產生所需的補 償電流—包括諧波電流和基波電流兩種。逆變器只要一運行，無論是用于電壓校正逆變器/充電器(Delta變 換器)，還是對諧波電流和功率因數進行校正的主逆變器，都會發生額外損耗，大大降低設備效率，因此其 實際效率是遠低于其標榜的效率的。

 　　四、UPS拓撲結構：雙變換在線式UPS 真正的在線式或雙變換UPS產品是極受歡迎的UPS拓撲結構。整流器將輸入交流電轉換為直流電，向UPS 的內部直流總線供電，輸出逆變器將直流變換為交流，輸出穩壓穩頻的交流電，向重要負載供電。正常運 行期間，與直流總線連接的電池采用浮充充電。輸入電源超出規定范圍時，電池向逆變器和重要負載供 電。

 　　雙變換在線式UPS配置優點如下： (1)重要負載與輸入交流電完全隔離。

 　　(2)重要負載始終由輸出逆變器供電，而輸出逆變器始終由內部直流總線供電。當輸入電源故障時，輸 出電壓不會出現切換跌落，因為逆變器一直是通過直流輸入運行。輸入市電的電壓和頻率可能會變化，但 雙變換UPS不會因此受到影響，因為整流器僅會向直流總線提供直流電。例如，UL33系列UPS可長時間運行，甚至當電池輸入電壓比其標稱電壓低15% 時，可再次向電池充電。它可在電壓比標稱電壓低20%的情況下繼續運行，無須釋放電池電量。同樣，如果 輸入頻率低于或超出規定范圍，整流器將繼續提供直流電，而輸出逆變器則繼續輸出50Hz電源，而不使用 電池供電。

 　　(3)輸出逆變器通常配備有可以提供另外一根中性線的隔離變壓器。UPS從而可以實現電氣絕緣，并為 負載提供共模噪聲保護。

　　(4)雙變換UPS內置雙輸入接線結構，即分別具有整流器輸入和旁路電路輸入接線端子。用戶可能會為 安裝的方便而選擇單輸入型UPS，但雙輸入UPS產品容錯性更高。

 　　(5)真正的雙變換UPS可用于雙總線電源系統，在所有運行模式下，該系統內的雙變換UPS與指定的參考 源同步：市電、電池或備用發電機運行模式。

 　　(6)輸入電源線出現故障，將導致UPS進入電池供電模式，此時UPS整流器將防止電流由直流總線向前級 的輸入端反灌。

 　　五、結論 所有UPS拓撲結構都能提供斷電保護，在當前的電源保護行業發揮著一定的作用：

 　　(1)離線式UPS是一個操作簡便、費用較低的斷電保護解決方案。僅適用于單相工作計算機應用。

 　　(2)互動式UPS性能較之離線式有很大提高，但仍然無法完全消除所有市電和油機帶來的故障和干擾， 可以為小型網絡應用提供一定的電源調節?？蛇m用于單相計算機和非重要服務器應用。

 　　(3)具有功率因數校正功能的在線互式UPS為小型網絡應用提供較好的電源調節。適用于單相工作站和 非重要服務器應用。不適用于工廠內的三相應用。

 　　(4)雙變換UPS性能最佳，提供所有電源故障保護。建議用于所有重要的單相及三相應用，尤其是高可 用性和全天候不間斷運行應用。