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UPS及其工作原理简介

  UPS是英文Uninterruptible Power Supply的缩写,意为“不间断供电电源”,是一种含有储能装置(常见的是蓄电池),以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源,它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象,使计算机系统运行更加安全可靠。现在已经被广泛应用计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业,并且正在迅速地走入家庭。


     下面,让我们先简单地了解一下UPS的工作原理。
  
  当我们没有使用UPS的时候,PC机、打印机等终端设备是直接接入市电使用的,用了UPS,就将PC机、打印机等终端设备接到UPS上使用,而UPS再接入市电。当市电输入正常时,UPS将市电稳压后供应给终端设备(相对于UPS而言,我们将这些终端设备称为负载)使用,此时的UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向自己的内置电池充电;当市电中断(例如停电)时, UPS 立即将内置电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件系统不受损坏。 


     二、市电对家用PC机及其终端设备的影响

  如果我们的PC机、计算机网络等设备不使用UPS,又会受到哪些影响呢?不少人都有一个常见的错误概念,认为我们使用的市电,除了偶尔发生的停电事故外,都是连续而且恒定的。其实不然。市电系统作为公共电网,上面连接了成千上万各种各样的负载,其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能,还会反过来对电网本身造成影响,恶化电网或局部电网的供电品质,造成市电电压波形畸变或频率漂移。另外,意外的自然和人为事故,如雷击、输变电系统断路或短路、电源插头地错误拔插等,都会危害电力的正常供应,从而影响负载的正常工作。尤其需要特别指出的是,PC机、网络设备、通信系统、医疗设备等都属于非常精密的电子设备,对它们的影响表现得尤为突出。


  对于PC机来说,显示器及主机工作都需要正常的电力供应。尤其是内存,对电源的要求更高,它是一种依赖电能的存储设备,需要不断的刷新动作来保持存储内容,一旦断电,所保存的内容立即消失。如果非正常断电,导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上,就会造成信息因完全丢失或变得不完整而失去价值,从而浪费大量的工作精力和时间;而象UNIX、Linux这样的操作系统(现在不少的电脑爱好者使用这种操作系统),如果不正常关机,内存中的系统信息没有回写到硬盘上,还可能造成系统崩溃,无法再次启动;此外,电脑中的硬盘,虽然应用的是磁存储介质,不会因断电而损失信息,但突然的电力故障会使正在进行读写工作的硬盘物理磁头损坏,或者系统文件在维护文件系统时,造成文件分配表错误,从而使硬盘产生坏道,严重的,甚至还会造成整个硬盘的报废;另外,现在的操作系统大都能设置虚拟内存,由于突然的断电,使系统来不及取消虚拟内存,从而造成硬盘中的“信息碎片”,不仅浪费了硬盘存储空间,还会导致机器运行缓慢;电脑电源是一种整流电源,过高的电压可能会造成整流器烧毁。而电压尖脉冲和暂态过电压以及电源杂讯等干扰都可能通过整流器进入主机板,影响机器的正常工作,甚至烧毁主机线路。


    一般情况下,标准正弦波(220V,50Hz)是一种理想状态,但实际情况下,根据电力专家的测试,电网中经常发生并且对计算机或精密仪器产生干扰或造成损坏的情况主要有以下几种:电涌、高压尖脉冲、暂态过电压、电压下陷、电线噪声、频率漂移、持续低电压、市电中断等。

     1. 电涌(Power Surges):指输出电压有效值高于额定值110%,而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时(例如常见的家用空调关机时),电网因突然卸载而产生的高压(我们都会有这样的切身体会:在晚上6:00至9:00左右的时间段,是用电的高峰期,市电电压普遍偏低,家里的照明灯比较暗,过了用电高峰期,比如说在晚上10:00左右,你会发现家里的照明灯突然一闪,并且亮了很多,这就是我们在日常生活中最常见到的一种电涌现象)。

     2. 高压尖脉冲(High Voltage Spikes):指峰值达6000v,持续时间从万分之一秒至二分之一周期(10ms)的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。

     3. 暂态过电压(Switching Transients):指峰值电压高达 20000V,但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲,只是在解决方法上会有区别。

     4. 电压下陷(Power Sags):指市电电压有效值介于额定值的80%至85%之间的低压状态,并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机,大型电动机启动,或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。

     5. 电线噪声(Electrical Line Noise):系指射频干扰(RFI)和电磁干扰(EFI)以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等,都会引起线噪声干扰。

     6. 频率偏移(Frequency Variation):系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行,或由频率不稳定的电源供电所致。

     7. 持续低电压(Brownout):指市电电压有效值低于额定值,并且持续较长时间。其产生原因包括:大型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载(我们国家的很多地区存在这个问题)。

     8. 市电中断(Power Fail):即我们通常遇到的停电。其产生原因有:线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。


  三. UPS的分类

  UPS已从60 年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路,并且还在继续发展。目前,UPS一般均指静止式UPS,按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。

     1. 后备式UPS:在市电正常时直接由市电向负载供电,当市电超出其工作范围或停电时,通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是:结构简单,体积小,成本低,但输入电压范围窄,输出电压稳定精度差,有切换时间,且输出波形一般为方波。原理图如下:



     2. 在线互动式UPS:在市电正常时直接由市电向负载供电,当市电偏低或偏高时,通过UPS内部稳压线路稳压后输出,当市电异常或停电时,通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是:有较宽的输入电压范围,噪音低,体积小等特点,但同样存在切换时间,但和一般后备UPS相比,这种机型保护功能较强,逆变器输出电压波形较好,一般为正弦波。原理图如下:



     3. 在线式UPS在市电正常时,由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作,由逆变器向负载提供交流电,在市电异常时,逆变器由电池提供能量,逆变器始终处于工作状态,保证无间断输出。其特点是,有极宽的输入电压范围,无切换时间且输出电压稳定精度高,特别适合对电源要求较高的场合,但是成本较高。目前,功率大于3KVA的UPS几乎都是在线式UPS。原理图如下:



     UPS按照输出容量大小划分为小容量3KVA以下,中小容量3KVA~10KVA,中大容量10KVA以上。

     UPS按输入/输出方式可分为三类:单相输入/单相输出(简称单进单出)、三相输入/单相输出(简称三进单出)、三相输入/三相输出(简称三进三出)。

    对于用户来说,三相供电其市电配电和负载配电容易,每一相都承当一部分负载电流,因而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出或三相输入/三相输出的供电方式。

    后备式UPS主要是用来给单台PC机提供电源保护,具有体积小、价格低、操作简单的特点,非常适合家庭使用,所以,当你为家用电脑购买UPS时,请选购后备式的。
    在线式UPS几乎可以解决所有的常见电力问题,在有市电时,功能为稳压和防止电力波动干扰,因为其功能较完善,所以其成本也随着性能的增强而上升,价格较后备式UPS贵很多。在线式UPS主要用于对电源要求非常严格的一些计算机设备、医疗器械等,,一般与多个外置蓄电池串接使用以延长供电时间,多为单位配置。

    智能型UPS是当今UPS的一大发展趋势,随着UPS在网络系统上应用,网络管理者强调整个网络系统为保护对象,希望整个网络系统在供电系统出现故障时,仍然可以继续工作而不中断。因此UPS内部配置微处理器使之智能化是UPS的新趋势,UPS内部硬件与软件的结合,大幅度提高了UPS的功能,可以监控UPS的运行工作状态,如:UPS输出电压频率,电网电压频率、电池状态以及故障记录等。还可以通过软件对电池进行检测、自动放电充电,以及遥控开关机等。网络管理者就可以根据信息资料分析供电质量,依据实际情况采取相应的措施。当UPS检测出供电电网中断时,UPS自动切换到电池供电,在电池供电能力不足时立即通知服务器做关机的准备工作并在电池耗尽前自行关机。智能型UPS通过接口与计算机进行通讯,从而使网络管理员能够监控UPS,因此其管理软件的功能就显得极其重要。





什么是后备式UPS

  平时处于蓄电池充电状态,在停电时逆变器紧急切换到工作状态,并将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出,后备式UPS也被称为离线式UPS。
  后备式UPS存在2至10毫秒的时间切换,不适合于关键性供电场所。此外,后备式UPS一般只能持续供电几分钟到十几分钟。
  后备式UPS电源的优点是:运行效率高、噪音低、价格相对便宜,主要适用于市电波动不大,对供电质量要求不高的场合。

什么是在线式UPS

在线式UPS:在线式UPS在工作时,首先将市电转化为直流电给UPS电池充电,同时逆变器(见提示)将此直流电逆变为交流电为负载供电,由于市电经过了交流到直流、再到交流的转换过程,所以市电中原有的干扰和脉冲电压成分已经过滤得非常干净,因此,由在线式UPS逆变出来的电压很稳定。由于逆变电路始终在工作,所以当停电时,UPS能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电,从而达到了输出电压零中断的切换目标。双变换也是指UPS的输出电压经过了两次交直流的互相转换过程。而高频则表示UPS内部工作在高频环境下。高频UPS的好处是体积小,重量轻,工作效率高,其坏处是抗过载抗冲击能力差。

什么是在线互动式UPS

在线互动式UPS:这是一种智能化的UPS,所谓在线互动式UPS,是指在输入市电正常时,UPS的逆变器处于反向工作(即整流工作状态),给电池组充电;在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态,将电池组电能转换为交流电输出,因此在线互动式UPS也有转换时间。同后备式UPS相比,在线互动式UPS的保护功能较强,逆变器输出电压波形较好,一般为正弦波,而其最大的优点是具有较强的软件功能,可以方便地上网,进行UPS的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内,如有偏差可由稳压电路升压或降压,提供比较稳定的正弦波输出电压。而且它与计算机之间可以通过数据接口(如RS-232串口)进行数据通讯,通过监控软件,用户可直接从电脑屏幕上监控电源及UPS状况,简化、方便管理工作,并可提高计算机系统的可靠性。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点,但其稳频特性能不是十分理想,不适合做常延时的UPS电源。

 
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