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摘要

市場上目前充斥著各種不同類型的UPS系統(tǒng)，其特性也各不相同。本文對于每種UPS類型給出了定義，探討了每種系統(tǒng)的實際應(yīng)用，并列出了各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點。借助于這些信息，您可以做出明智的決策，選擇適合自己需要的UPS拓撲結(jié)構(gòu)。

簡介

市場上具有不同類型的UPS，其特性也千差萬別，這就給數(shù)據(jù)中心行業(yè)造成了極大的混亂。例如，目前人們普遍認為只有兩種類型的UPS系統(tǒng)，即后備式UPS和在線式UPS。這兩個常用術(shù)語并不能正確地描述現(xiàn)有的UPS系統(tǒng)。

在正確地了解不同類型的UPS拓撲結(jié)構(gòu)后，就可以消除有關(guān)UPS系統(tǒng)的眾多錯誤觀點。UPS拓撲結(jié)構(gòu)指的是UPS設(shè)的基本特征。通常，不同廠商生產(chǎn)的機型在設(shè)計或拓撲結(jié)構(gòu)上大同小異，但在性能特性方面卻相差巨大。本文考察了常用的設(shè)計方法，并簡要介紹了每種拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理。這些信息將有助于您正確地識別和比較不同的系統(tǒng)。

目前有多種方法來設(shè)計UPS系統(tǒng)，不同方法設(shè)計的UPS有截然不同的性能特點。常用的設(shè)計方案如下所示：

· 后備式

· 在線互動式

· 后備式-鐵磁共振

· 雙轉(zhuǎn)換在線式

· Delta轉(zhuǎn)換在線式

后備式UPS

后備式UPS是用于個人計算機的常見的類型。在圖1所示的結(jié)構(gòu)圖中，轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源（實線路徑），一旦主電源出現(xiàn)故障，就會切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發(fā)生這種情況，轉(zhuǎn)換開關(guān)必須進行操作，將負載切換到電池/逆變器備用電源上（虛線路徑）。逆變器只在電源出現(xiàn)故障時才啟動，因此稱作“后備式”。這種設(shè)計的主要優(yōu)點是效率高、尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護電路，這些系統(tǒng)還可以提供適當(dāng)?shù)脑肼曔^濾和浪涌抑制功能。

在線互動式UPS

圖2所示的在線互動式UPS是用于小企業(yè)、網(wǎng)站、部門服務(wù)器的常見的設(shè)計。在此設(shè)計方案中，電池到交流電源的轉(zhuǎn)換器（逆變器）始終連接到UPS的輸出端。如果在輸入交流電源正常時反向操作逆變器，就會給電池充電。一旦輸入電源出現(xiàn)故障，轉(zhuǎn)換開關(guān)就會打開，并通過電池向UPS輸出端供電。與后備式UPS拓撲結(jié)構(gòu)相比，由于逆變器始終打開且與輸出端保持連接，這種設(shè)計進一步增強了濾波效果，并降低了轉(zhuǎn)換瞬態(tài)過電壓。

另外，在線互動式設(shè)計方案通常會加入一個分接頭轉(zhuǎn)換變壓器。這樣，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，通過調(diào)整變壓器分接頭可以更好地調(diào)節(jié)電壓。在電壓較低的情況下，電壓調(diào)節(jié)是一項重要功能，否則UPS將轉(zhuǎn)換到電池并終無法供電。由于這種情況而頻繁地使用電池可能會導(dǎo)致電池過早損壞。然而，也可以按如下方式設(shè)計逆變器，即當(dāng)它出現(xiàn)故障時，仍然允許電源從交流輸入流向輸出，這樣，就消除了發(fā)生單點故障的可能性，并有效地提供兩條獨立的電源路徑。這種 UPS設(shè)計方案具有效率高、體積小、成本低和可靠性高的特點，并可糾正過低或過高的市電電壓，因此在功率范圍0.5-5kVA的應(yīng)用領(lǐng)域中占優(yōu)勢.

后備式-鐵磁共振UPS

后備式-鐵磁共振UPS曾經(jīng)是功率范圍3-15 kVA的應(yīng)用領(lǐng)域中使用廣泛的UPS類型。此設(shè)計依賴于一個特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個線圈（電源連接）。主電源路徑通過交流輸入電源、轉(zhuǎn)換開關(guān)和變壓器，后連接輸出端。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時，轉(zhuǎn)換開關(guān)將打開，逆變器將向輸出負載供電。

在后備式-鐵磁共振設(shè)計方案中，逆變器處于后備式模式，當(dāng)輸入電源出現(xiàn)故障且轉(zhuǎn)換開關(guān)打開時，逆變器才被激活。這種變壓器具有特殊的“鐵磁共振”功能，它能夠提供有限的電壓調(diào)節(jié)和輸出波形“修整”功能。鐵磁共振變壓器提供的對交流電源瞬態(tài)過電壓的保護與任何濾波器一樣，甚至更好。但鐵磁共振變壓器本身會產(chǎn)生嚴重的輸出電壓失真和瞬態(tài)過電壓，這可能造成比交流電源連接不當(dāng)更嚴重的后果。即使這種UPS被設(shè)計為后備式UPS，鐵磁共振變壓器也會由于其本身的低效率 而產(chǎn)生大量的熱量。另外，這些變壓器比常規(guī)的隔離變壓器體積大，因此后備式-鐵磁共振UPS通常非常龐大和笨重。

雖然該類設(shè)備具有轉(zhuǎn)換開關(guān)，逆變器在后備式模式下運作，并且在交流電源出現(xiàn)故障時表現(xiàn)出了轉(zhuǎn)換特征，后備-鐵磁共振UPS系統(tǒng)常被視為在線裝置。圖3說明了后備式-鐵磁共振拓撲結(jié)構(gòu)

高可靠性和極好的線路濾波功能是這種設(shè)計的優(yōu)勢。但是，這種設(shè)計的效率非常低，而且與某些發(fā)電機和新型的功率因數(shù)校正計算機一起使用時，還存在不穩(wěn)定的問題，因此導(dǎo)致這種設(shè)計的普及性大大降低。

后備式-鐵磁共振UPS系統(tǒng)不再普遍使用的主要原因是在承載現(xiàn)代計算機電源負載時，這種系統(tǒng)可能根本不穩(wěn)定。所有大型服務(wù)器和路由器均使用“功率因數(shù)校正”電源，這類電源從市電中只獲取正弦電流（非常類似于白熾燈泡）。獲取這種平穩(wěn)電流是通過電容器（“獲得”適用電壓的設(shè)備）實現(xiàn)的，鐵磁共振UPS系統(tǒng)采用大量的變壓，這些變壓器具有感應(yīng)特性，即電流“滯后于”電壓。這兩種裝置組合起來就形成了“儲能”電路。儲能電路中的共振可能會產(chǎn)生高電流，而這種電流會危及所連接的負載的安全。

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS

這是10kVA以上功率范圍的電源常用的UPS類型。在圖4所示的雙轉(zhuǎn)換在線式UPS的結(jié)構(gòu)圖中，除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與后備式設(shè)計相同。

在雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計中，輸入交流電發(fā)生故障并不會激活轉(zhuǎn)換開關(guān)，因為輸入交流電一直在給備用電池充電，而由備用電池向輸出逆變器供電。所以，在輸入交流電源出現(xiàn)故障時，無需時間進行在線運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

在這一設(shè)計中，電池充電器和逆變器將轉(zhuǎn)換全部的負載功率，并由于產(chǎn)生了更多的熱量而導(dǎo)致效率降低。這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。這一設(shè)計的可靠性高于其他設(shè)計，但功率部件的持續(xù)耗損降低了這種可靠性，而且在UPS的整個生命周期成本中，由于電源效率低下而消耗的電能占據(jù)了很大一部分。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的，可能對建筑供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾或?qū)е聜溆冒l(fā)電機發(fā)生故。

Delta 轉(zhuǎn)換在線式UPS

圖5所示的 UPS 設(shè)計是一種更新的設(shè)計，這是 10 年前引入的技術(shù)，它克服了雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計的缺點，適用于功率范圍 5kVA 到 1.6MW 的應(yīng)用領(lǐng)域。與雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計相似，Delta 轉(zhuǎn)換在線式 UPS 始終由逆變器提供負載電壓。然而，附加的 Delta 轉(zhuǎn)換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現(xiàn)故障或受到干擾的情況下，這種設(shè)計所表現(xiàn)出的行為與雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計完全相同。

了解Delta 轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)能量效率的一種簡單方法是考察從大樓的第4 層向第5層運送包裹時所需的能量，如圖6所示。Delta 轉(zhuǎn)換技術(shù)運送包裹所經(jīng)過的路程只是起點與終點之間的差異量 (Delta)，因而大大節(jié)省了能量。雙轉(zhuǎn)換在線式 UPS 將交流電源轉(zhuǎn)換為直流，然后又從直流電能轉(zhuǎn)換為交流；而 Delta 轉(zhuǎn)換器將電源從輸入移到輸出。在Delta轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計中，Delta轉(zhuǎn)換器具有雙重作用。第1個作用是控制輸入電源特性。它在輸入端獲取正弦電源，從而大程度地減少反映到設(shè)備上的雜波。這就確保了高效率和發(fā)電機系統(tǒng)的兼容性，同時減少了配電系統(tǒng)中的發(fā)熱和系統(tǒng)損耗。

Delta轉(zhuǎn)換在線式UPS提供了與雙轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計完全相同的輸出特性。然而，這兩種設(shè)計的輸入特性通常并不相同。Delta轉(zhuǎn)換在線式設(shè)計提供了動態(tài)控制的、功率因數(shù)校正的輸入，而不會出現(xiàn)傳統(tǒng)解決方案低效利用濾波器組的問題。它大的優(yōu)點是能量損失大為降低。此外，輸入電源控制功能也使得UPS能夠與所有發(fā)電機組兼容。

在穩(wěn)定的狀態(tài)下，與雙轉(zhuǎn)換設(shè)計相比，Delta 轉(zhuǎn)換器使得UPS能夠以高得多的效率向負載供電。下表介紹了不同UPS類型的部分特征。UPS的某些特性（如效率）是由您選擇的UPS類型決定的。由于技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)質(zhì)量對于特性（如可靠性）的影響更大，因此，除了考慮這些設(shè)計特性之外，還必須對以下因素進行評估。隨著時間的推移，目前業(yè)內(nèi)的UPS產(chǎn)品逐漸包括上述各種類型的設(shè)計。不同UPS類型具有不同的特性，這使得它們能夠適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。APC 產(chǎn)品系列反 映了這種多樣性，如下表所示：

結(jié)論

不同類型的UPS適合不同的用途，沒有一種類型的UPS適合所有的應(yīng)用領(lǐng)域。本文的目的是比較目前市場上不同UPS拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

UPS設(shè)計方面的重大差異針對不同目標提供了理論上和實際應(yīng)用方面的優(yōu)勢。然而，基本的設(shè)計實施質(zhì)量和制造質(zhì)量對于客戶在實際應(yīng)用中所獲得的終性能起著決定性作用。