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UPS及其工作原理簡介

  UPS是英文Uninterruptible Power Supply的縮寫,意為“不間斷供電電源”,是一種含有儲能裝置(常見的是蓄電池),以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源,它可以解決現有電力的斷電、低電壓、高電壓、突波、雜訊等現象,使計算機係統運行更加安全可靠。現在已經被廣泛應用計算機、交通、銀行、證券、通信、醫療、工業控製等行業,並且正在迅速地走入家庭。


     下麵,讓我們先簡單地了解一下UPS的工作原理。
  
  當我們沒有使用UPS的時候,PC機、打印機等終端設備是直接接入市電使用的,用了UPS,就將PC機、打印機等終端設備接到UPS上使用,而UPS再接入市電。當市電輸入正常時,UPS將市電穩壓後供應給終端設備(相對於UPS而言,我們將這些終端設備稱為負載)使用,此時的UPS就是一台交流市電穩壓器,同時它還向自己的內置電池充電;當市電中斷(例如停電)時, UPS 立即將內置電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電,使負載維持正常工作並保護負載的軟、硬件係統不受損壞。 


     二、市電對家用PC機及其終端設備的影響

  如果我們的PC機、計算機網絡等設備不使用UPS,又會受到哪些影響呢?不少人都有一個常見的錯誤概念,認為我們使用的市電,除了偶爾發生的停電事故外,都是連續而且恒定的。其實不然。市電係統作為公共電網,上麵連接了成千上萬各種各樣的負載,其中一些較大的感性、容性、開關電源等負載不僅從電網中獲得電能,還會反過來對電網本身造成影響,惡化電網或局部電網的供電品質,造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外,意外的自然和人為事故,如雷擊、輸變電係統斷路或短路、電源插頭地錯誤拔插等,都會危害電力的正常供應,從而影響負載的正常工作。尤其需要特別指出的是,PC機、網絡設備、通信係統、醫療設備等都屬於非常精密的電子設備,對它們的影響表現得尤為突出。


  對於PC機來說,顯示器及主機工作都需要正常的電力供應。尤其是內存,對電源的要求更高,它是一種依賴電能的存儲設備,需要不斷的刷新動作來保持存儲內容,一旦斷電,所保存的內容立即消失。如果非正常斷電,導致內存中的信息來不及保存到硬盤等存儲設備上,就會造成信息因完全丟失或變得不完整而失去價值,從而浪費大量的工作精力和時間;而象UNIX、Linux這樣的操作係統(現在不少的電腦愛好者使用這種操作係統),如果不正常關機,內存中的係統信息沒有回寫到硬盤上,還可能造成係統崩潰,無法再次啟動;此外,電腦中的硬盤,雖然應用的是磁存儲介質,不會因斷電而損失信息,但突然的電力故障會使正在進行讀寫工作的硬盤物理磁頭損壞,或者係統文件在維護文件係統時,造成文件分配表錯誤,從而使硬盤產生壞道,嚴重的,甚至還會造成整個硬盤的報廢;另外,現在的操作係統大都能設置虛擬內存,由於突然的斷電,使係統來不及取消虛擬內存,從而造成硬盤中的“信息碎片”,不僅浪費了硬盤存儲空間,還會導致機器運行緩慢;電腦電源是一種整流電源,過高的電壓可能會造成整流器燒毀。而電壓尖脈衝和暫態過電壓以及電源雜訊等幹擾都可能通過整流器進入主機板,影響機器的正常工作,甚至燒毀主機線路。


    一般情況下,標準正弦波(220V,50Hz)是一種理想狀態,但實際情況下,根據電力專家的測試,電網中經常發生並且對計算機或精密儀器產生幹擾或造成損壞的情況主要有以下幾種:電湧、高壓尖脈衝、暫態過電壓、電壓下陷、電線噪聲、頻率漂移、持續低電壓、市電中斷等。

     1. 電湧(Power Surges):指輸出電壓有效值高於額定值110%,而且持續時間達一個或數個周期。電湧主要是由於在電網上連接的大型電氣設備關機時(例如常見的家用空調關機時),電網因突然卸載而產生的高壓(我們都會有這樣的切身體會:在晚上6:00至9:00左右的時間段,是用電的高峰期,市電電壓普遍偏低,家裏的照明燈比較暗,過了用電高峰期,比如說在晚上10:00左右,你會發現家裏的照明燈突然一閃,並且亮了很多,這就是我們在日常生活中最常見到的一種電湧現象)。

     2. 高壓尖脈衝(High Voltage Spikes):指峰值達6000v,持續時間從萬分之一秒至二分之一周期(10ms)的電壓。這主要由於雷擊、電弧放電、靜態放電或大型電氣設備的開關操作而產生。

     3. 暫態過電壓(Switching Transients):指峰值電壓高達 20000V,但持續時間界於百萬分之一秒至萬分之一秒的脈衝電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似於高壓尖脈衝,隻是在解決方法上會有區別。

     4. 電壓下陷(Power Sags):指市電電壓有效值介於額定值的80%至85%之間的低壓狀態,並且持續時間達一個到數個周期。大型設備開機,大型電動機啟動,或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。

     5. 電線噪聲(Electrical Line Noise):係指射頻幹擾(RFI)和電磁幹擾(EFI)以及其它各種高頻幹擾。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控製器的工作、廣播發射、微波輻射、以及電氣風暴等,都會引起線噪聲幹擾。

     6. 頻率偏移(Frequency Variation):係指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應急發電機的不穩定運行,或由頻率不穩定的電源供電所致。

     7. 持續低電壓(Brownout):指市電電壓有效值低於額定值,並且持續較長時間。其產生原因包括:大型設備啟動和應用、主電力線切換、啟動大型電動機、線路過載(我們國家的很多地區存在這個問題)。

     8. 市電中斷(Power Fail):即我們通常遇到的停電。其產生原因有:線路上的斷路器跳閘、市電供應中斷、電網故障。


  三. UPS的分類

  UPS已從60 年代的旋轉發電機發展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路,並且還在繼續發展。目前,UPS一般均指靜止式UPS,按其工作方式分類可分為後備式、在線互動式及在線式三大類。

     1. 後備式UPS:在市電正常時直接由市電向負載供電,當市電超出其工作範圍或停電時,通過轉換開關轉為電池逆變供電。其特點是:結構簡單,體積小,成本低,但輸入電壓範圍窄,輸出電壓穩定精度差,有切換時間,且輸出波形一般為方波。原理圖如下:



     2. 在線互動式UPS:在市電正常時直接由市電向負載供電,當市電偏低或偏高時,通過UPS內部穩壓線路穩壓後輸出,當市電異常或停電時,通過轉換開關轉為電池逆變供電。其特點是:有較寬的輸入電壓範圍,噪音低,體積小等特點,但同樣存在切換時間,但和一般後備UPS相比,這種機型保護功能較強,逆變器輸出電壓波形較好,一般為正弦波。原理圖如下:



     3. 在線式UPS在市電正常時,由市電進行整流提供直流電壓給逆變器工作,由逆變器向負載提供交流電,在市電異常時,逆變器由電池提供能量,逆變器始終處於工作狀態,保證無間斷輸出。其特點是,有極寬的輸入電壓範圍,無切換時間且輸出電壓穩定精度高,特別適合對電源要求較高的場合,但是成本較高。目前,功率大於3KVA的UPS幾乎都是在線式UPS。原理圖如下:



     UPS按照輸出容量大小劃分為小容量3KVA以下,中小容量3KVA~10KVA,中大容量10KVA以上。

     UPS按輸入/輸出方式可分為三類:單相輸入/單相輸出(簡稱單進單出)、三相輸入/單相輸出(簡稱三進單出)、三相輸入/三相輸出(簡稱三進三出)。

    對於用戶來說,三相供電其市電配電和負載配電容易,每一相都承當一部分負載電流,因而中、大功率UPS多采用三相輸入/單相輸出或三相輸入/三相輸出的供電方式。

    後備式UPS主要是用來給單台PC機提供電源保護,具有體積小、價格低、操作簡單的特點,非常適合家庭使用,所以,當你為家用電腦購買UPS時,請選購後備式的。
    在線式UPS幾乎可以解決所有的常見電力問題,在有市電時,功能為穩壓和防止電力波動幹擾,因為其功能較完善,所以其成本也隨著性能的增強而上升,價格較後備式UPS貴很多。在線式UPS主要用於對電源要求非常嚴格的一些計算機設備、醫療器械等,,一般與多個外置蓄電池串接使用以延長供電時間,多為單位配置。

    智能型UPS是當今UPS的一大發展趨勢,隨著UPS在網絡係統上應用,網絡管理者強調整個網絡係統為保護對象,希望整個網絡係統在供電係統出現故障時,仍然可以繼續工作而不中斷。因此UPS內部配置微處理器使之智能化是UPS的新趨勢,UPS內部硬件與軟件的結合,大幅度提高了UPS的功能,可以監控UPS的運行工作狀態,如:UPS輸出電壓頻率,電網電壓頻率、電池狀態以及故障記錄等。還可以通過軟件對電池進行檢測、自動放電充電,以及遙控開關機等。網絡管理者就可以根據信息資料分析供電質量,依據實際情況采取相應的措施。當UPS檢測出供電電網中斷時,UPS自動切換到電池供電,在電池供電能力不足時立即通知服務器做關機的準備工作並在電池耗盡前自行關機。智能型UPS通過接口與計算機進行通訊,從而使網絡管理員能夠監控UPS,因此其管理軟件的功能就顯得極其重要。





什麽是後備式UPS

  平時處於蓄電池充電狀態,在停電時逆變器緊急切換到工作狀態,並將電池提供的直流電轉變為穩定的交流電輸出,後備式UPS也被稱為離線式UPS。
  後備式UPS存在2至10毫秒的時間切換,不適合於關鍵性供電場所。此外,後備式UPS一般隻能持續供電幾分鍾到十幾分鍾。
  後備式UPS電源的優點是:運行效率高、噪音低、價格相對便宜,主要適用於市電波動不大,對供電質量要求不高的場合。

什麽是在線式UPS

在線式UPS:在線式UPS在工作時,首先將市電轉化為直流電給UPS電池充電,同時逆變器(見提示)將此直流電逆變為交流電為負載供電,由於市電經過了交流到直流、再到交流的轉換過程,所以市電中原有的幹擾和脈衝電壓成分已經過濾得非常幹淨,因此,由在線式UPS逆變出來的電壓很穩定。由於逆變電路始終在工作,所以當停電時,UPS能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉化為交流電對負載進行供電,從而達到了輸出電壓零中斷的切換目標。雙變換也是指UPS的輸出電壓經過了兩次交直流的互相轉換過程。而高頻則表示UPS內部工作在高頻環境下。高頻UPS的好處是體積小,重量輕,工作效率高,其壞處是抗過載抗衝擊能力差。

什麽是在線互動式UPS

在線互動式UPS:這是一種智能化的UPS,所謂在線互動式UPS,是指在輸入市電正常時,UPS的逆變器處於反向工作(即整流工作狀態),給電池組充電;在市電異常時逆變器立刻轉為逆變工作狀態,將電池組電能轉換為交流電輸出,因此在線互動式UPS也有轉換時間。同後備式UPS相比,在線互動式UPS的保護功能較強,逆變器輸出電壓波形較好,一般為正弦波,而其最大的優點是具有較強的軟件功能,可以方便地上網,進行UPS的遠程控製和智能化管理。可自動偵測外部輸入電壓是否處於正常範圍之內,如有偏差可由穩壓電路升壓或降壓,提供比較穩定的正弦波輸出電壓。而且它與計算機之間可以通過數據接口(如RS-232串口)進行數據通訊,通過監控軟件,用戶可直接從電腦屏幕上監控電源及UPS狀況,簡化、方便管理工作,並可提高計算機係統的可靠性。這種UPS集中了後備式UPS效率高和在線式UPS供電質量高的優點,但其穩頻特性能不是十分理想,不適合做常延時的UPS電源。

 
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