从大功率UPS电源的原理出发对现状、发展及选配研究

经过一个多世纪的发展，电力已经成为现代工业最重要的能源基础。随着工业文明的不断进步，现代工业对电力质量的要求越来越高，为了保障工业过程以及日常工作的连续性，UPS应运而生，成功的解决了电力中断以及电力质量差的问题，广泛地应用于工业控制、通信、医疗、计算机、交通、银行、证券等。

1UPS的现状

经过几十年的发展，UPS技术El新月异，管理体系不断完善，功能更加强大，应用范围也随着现代科技的发展不断的扩大。

1.1技术方面

(1)现已广泛采用与传统谐振式ZUS、ZCS软开关不同的广义软开关技术，来减小开关损耗，提高开关频率。这种软开关就是一种无损缓冲电路，它不但能使开关过程软化，而且还具有电路简单，不需要附加谐振网络，成本低廉的特点。输入端加装高效输入滤波器和有源功率因素校正器，并采用串并联补偿技术，来降低输入电流失真度，减小UPS电源对市电电源的污染，使其向绿色电能变换型发展。

(2)为实现UPS电源小型化，减小输出变压器即输出滤波器的尺寸，减小电磁干扰，防止高频变压器的饱和，目前在韩国采用的是串联谐振逆变器，再经过隔离变压器和变频器组成高频连接的UPS。

(3)数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，即广泛应用数字处理器DSP，尽可能使控制电路全微处理器化。因为数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测，故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，易于实现多台UPS的并联和热插拨，易于实现对蓄电池的监控和管理，也就是说，计算机的介入可以使UPS实现智能化管理，可以使电源运行在最优化状态。

(4)蓄电池是UPS的心脏，目前UPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，美国还运用了高功率铅一空气备用电源装置(RPU)取代蓄电池。为增大电池的使用寿命，目前使用一种三阶段电池管理方案，即恒流均衡充电，浮充充电和自然放电三大阶段，以防止过充、过放。现已引入以微处理器监控技术为主的电池管理体系，随时观察电池的充、放电状态，对电池充、放电进行双重保护。

(5)采用冗余技术和热插拨技术。

(6)采用智能化UPS的管理系统。所谓智能化UPS，是指将传统的UPS与计算机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件，以提供计算机及数据资料的双重保护，保证UPS在完成基本功能外，还能对一切故障进行检测，显示和处理等，完全实现网络化监控管理。

1.2管理体系方面

UPS供电系统从产生至今已有40余年，40年的历程，UPS发展到今天已经不再是孤立的电源技术的发展，UPS本身不再是单独的电源系统，目前所说的供电机房，已成为一体化网络系统，集不问断电源、机柜、电源管理、散热、电力电缆和数据布线为一体的全套电源供应与管理整体方案。这就大大便利于用户的选购、安装、维护和扩容，降低日常管理和维护的成本，并能对整个网络中的硬件设备、运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面保护，使之成为不间断供电网络，此网络还具有可靠性高，抗干扰能力强，过载能力强，智能化监控及防雷击、防浪涌等功能。

1.3设计原理和工作方式方面

目前可以分为离线式、在线式、在线互动式三种UPS。

(1)离线式UPS，也称为后备式UPS，以小功率(5kVA)为主，主要特点是转换效率高，易于维护，且价格低廉，转换时间为几ms，为绝大多数中小功率用户首选。

(2)在线式UPS以大中(5kVA以上)功率为主，供电转换时间为零，供电质量高，可以向用户的负载提供纯净、稳压、稳频、抗干扰和波形失真极小的正弦波，但价格昂贵。

(3)在线互动式UPS以网络使用为主，它结合了离线式转换效率高和在线式供电质量高的特点，与离线式相比，切换时间短。

1.4功能方面

UPS除了稳压、稳频、不问断供电基本功能外，逐步增加了自我控制功能、对外告警功能、集中监控功能、环境检测功能、自动开关机功能、联网功能、电池自动补偿和检测功能、低功率损耗功能、直接并机功能、对线性负载和非线性负载具有同等输出的功能，及并机时功用电池或分用电池的功能等。

1.5应用方面

在原有的商用UPS、变频UPS、工业用UPS的基础上，为适应市场的需要又增加了计算机用UPS、有线电视用UPS、小灵通UPS。所以UPS目前已广泛应用于金融、电信、政府、制造行业、教育和医疗等方面。

市场需求促进了UPS性能的不断提高，科技的进步则推动了UPS技术了不断的向前发展，使UPS向高频化、冗余并联化、数字化、可靠化、智能化、绿色化、经济化发展。2.1市场需求方面

(1)大容量级别的UPS将达到9000台/每年的需要，并以10%以上速度不断增长。小机市场“火爆”，市场潜力巨大。据有关人士估计，UPS电源需求量为：93.8万台/05年，102.5万台/06年，133.4万台/07年，122.3万台/08年。

(2)产品性能/价格比是赢得市场占有率的永恒主题。

(3)企业要走出跨国经营，不仅要创出国际品牌，还要使品牌在跨国经营中“本土化”。要想在市场上长久发展，除提高性价比外，还要提高服务质量，以适应市场产品深层次竞争的兼并整合状态。

2.1技术方面

(1)高频化：第一代UPS的功率开关为可控硅，第二代为大功率晶体管或场效应管，第三代为IGBT(绝缘栅双极晶体管)。大功率晶体管或场效应管开关速度比可控硅要高一个数量级，而IGBT功率器件电流容量和速率又比大功率晶体管或场效应管大得多和快的多，使功率变换电路的工作频率高达50kHz。应用新工艺器件，并采用柔性切换技术，来解决由于切换损耗导致的高频限制，实现UPS电源高频化。变换电路频率的提高，使得用于滤波的电感、电容以及噪音、体积等大为减少，使UPS效率、动态响应特性和控制精度等大为提高。

(2)冗余并联化：在一台电子设备中，我们可以把控制电路集中起来作为一个独立的可插拔的模块，也可以把功率变换部分集中在一个结构中做为一个可热插拔的模块，同样，在一个配置有多种(台)设备的供电系统中，我们也可以把每种(台)设备看做一个模块，在冗余热备份配置的情况下，同样可以做到故障后进行热插拔修复。当代的技术先进的UPS都具备直接并机功能，如果把这样的UPS两台冗余并联起来，并使两台输出的总容量大于等于负载容量的二倍，当其中一台发生故障时，另一台可承担全部负载容量而保持系统继续正常运行，已故障的一台可脱机修复。这无异于把系统的等效平均修复时间降到接近于零，只有两台UPS同时发生故障时，系统才停止运行，而这种几率是很小的。

(3)数字化：数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测、故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，实现多台UPS的并联和热插拔，易于实现对蓄电池的监控和管理。采用数字控制技术、数据采集技术、信号处理技术、电源管理技术、网络通信技术、计算机硬件及软件技术来实现的电源实现了人机完美结合。

(4)可靠化：对于使用者来说，要求UPS具有足够的输出能力及可靠性，否则就会影响负载的运行，甚至构成新的故障源。采用先进的工艺封装技术、高度的集成化技术、运用高品质的元器件和原材料，不断提高UPS电源的可靠性和可用性，力争可用性A为0.9999999，也就是说，一年之中允许停机时间≤3s。这些数据才是用户真正需要的结果。

(5)智能化：微处理器在UPS上的应用，过去只在大、中型UPS上采用，但近年来已逐渐向小型、微型UPS方面发展，其带来的结果是UPS的智能化发展，包括控制、检测和通信。UPS逐渐由计算机来进行管理，并且计算机及外设能“自主”应付一些可能预见到的问题，能进行自动管理和调整，如自动关闭宿主计算机的操作系统并关闭其电源，定时开关UPS本身等，并能将有关信号通过网络传递给操作系统或网络管理员，便于进行远程管理。真正的做到计算机集中监控代替人力职守，又计算机的智能化实现人们的“傻瓜操作”。

(6)绿色化：各种用电设备及电源装置产生的谐波电流严重污染电网，随着各种政策法规的出台，对无污染的绿色电源装置的呼声越来越高。UPS除加装高效输入滤波器外，还应在电网输入端采用功率因数校正技术，这样既可消除本身由于整流滤波电路产生的谐波电流，又可补偿输人功率因数。整流器使用IGBT技术，可将输入功率因数提高到接近于一，对电网的污染已降到了近似阻性负载的水平。另外，高频脉宽调制技术、多脉冲整流技术、电磁屏蔽和滤波技术、广义的软开关技术、串并联补偿技术等技术也是实现UPS绿色化的有效途径。

(7)经济化：低成本高性能的高频机也将在一段时间之后成为市场的主流机型。该种机型UPS是在上述未来主流机型基础上省去了输出隔离变压器，大大节省了成本，大约为上述机型的60%，极具市场竞争力。缺点是目前该种技术不够成熟，可靠性较低。但是，随着技术水平的提高，可靠性将会大大增强，相信不久的将来，该种机型将成为未来UPS的新型主流机型。

3如何选配UPS

一台UPS至少可以使用3年以上。用户在挑选UPS电源时，应根据自己的要求来确定挑选标准，选择最适合自己身业务需求的UPS，而不是最便宜或最高档的。

(1)使用者对UPS的各项指标应有一个全面清晰的了解，这是正确合理选配UPS的必要条件。UPS(确实)是一种含有储能装置(蓄电池)和控制电路，以逆变器为主要组成部分的恒压装置。它的主要作用是当用电设备遇到外部供电系统发生中断或超出要求范围时，能不问断地为用电设备提供稳定、干净、高品质的电源环境。(目前按其设计原理与工作方式可分离线式、在线式和在线互动式三种，)用户应充分了解各类UPS的技术参数、电气性能和适用范围，并根据自身负载的特点合理选配UPS。

(2)在关注性能价格比的同时，首先要关注UPS的输出能力和可靠性、UPS对电网的适应能力、UPS的常规输出性能指标，特别要注意所采购UPS是否能够达到国家已经出台的UPS生产制造规范。

(3)因为电池的采购要占UPS采购成本不小的一部分，电池的运行状况、使用寿命直接影响到UPS功能的发挥，所以要选购具有电池智能化管理技术的UPS。

(4)要选购具有功率因素校正技术、电流谐波抑制技术、电磁兼容设计技术、静音设计技术的UPS。

(5)尽量选用知名企业的名牌UPS产品。因为这些企业不仅具有检测设备齐全、先进、能够保证产品质量的能力，而且还具有服务意识强，能主动为用户提供售前、售中、售后的全程式服务，对用户信息响应速度快的特点。

为确保UPS系统安全可靠的运行，在选用UPS时，还应考虑其防雷击和防浪涌的能力、过载能力、带负载能力、可维护能力、可管理能力等因素。总之，UPS确实是供电系统的核心设备，如何选择、配置UPS，对用户至关重要，应尽力选择、配置性价比高的UPS，确保自己设备安全、可靠的不间断供电。