UPS电源知识

UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使您不致因停电而影响工作或丢失数据。它在计算机系统和网络应用中，主要起到两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。

从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。

1)整流器：整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载，或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用；

2)蓄电池：蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能是：１当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。２当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；

3)逆变器：通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；

4)静态开关：静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。

目前，主流的UPS厂商有APC、山特等，都提供各种级别的UPS满足不同用户群的需要。

一 类型

（一）UPS电源按其工作原理可分为后备式、在线式以及在线互动式三种。

1 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，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此后备式UPS也被称为离线式UPS。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，比较适合家庭使用。然而这种UPS存在一个切换时间问题，因此不适合用在关键性的供电不能中断的场所。不过实际上这个切换时间很短，一般介于2至10毫秒，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持10毫秒左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让您有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低。对不是太关键的电脑应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式UPS。

2在线式UPS：这种UPS一直使其逆变器处于工作状态，它首先通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。在线式UPS不同于后备式的一大优点是供电持续长，一般为几个小时，也有大到十几个小时的，它的主要功能是可以让您在停电的情况可像平常一样工作，显然，由于其功能的特殊，价格也明显要贵一大截。这种在线式UPS比较适用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，因为这些领域的电脑一般不允许出现停电现象。

3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。

表一

表二

（二）UPS从结构上一般分为直流UPS(DC-UPS)和交流UPS(AC-UPS)两大类。

1 直流UPS直流不间断电源由两个基本单元组成。分别是整流器、蓄电池。其原理结构方框图如下：

其工作过程是：当市电正常时，电流通过整流器向负载供电，同时整流器给蓄电池充电。电流路径是1路市电——整流器——负载，2路路市电——整流器——蓄电池。当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换使蓄电池为负载供电，电流流向为蓄电池——负载。

2交流UPS电源由三个基本单元组成。分别是整流器、蓄电池和逆变器。其原理结构方框图如下：

其工作过程是：当市电正常时，电流通过整流器、逆变器向负载供电，同时整流器给蓄电池充电。电流路径是1路：市电——整流器——逆变器——负载，2路：市电——整流器——蓄电池。当市电故障或整流器故障时，通过控制电路自动切换使电池为负载供电，电流流向为蓄电池——逆变器——负载。

（三）从备用时间分，UPS分为标准型和长效型两种。

一般来说，标准型机内带有电池组，在停电后可以维持较短时间的供电（一般不超过25分钟）；长效型机内不带电池，但增加了充电器，用户可以根据自身需要配接多组电池以延长供电时间，厂商在设计时会加大充电器容量或加装并联的充电器。

此外,UPS的分类还有其他一些简单的分类，比如从组成原理分为旋转型UPS和静止型UPS；从应用领域分为商业用UPS和工业用UPS；从输出电压的相数分为单相UPS和三相UPS；从容量分为大容量UPS（大于100KVA）、中容量UPS（10-100 KVA）和小容量UPS（小于10 KVA）。

二 UPS的容量

UPS的额定容量是指UPS的最大输出功率（电压V和电流A的乘积）。

通常市场上所售的UPS电源，容量较小的以“W”（瓦特）为单位来标识；超过1千瓦时，用“VA”（伏安）标识，“W”与“VA”值是有区别的。这就要求我们必须区别具体情况来选择UPS。一般来讲，1千瓦以内的小容量UPS一般都用“W”表示容量，容量在1KVA～500KVA的 UPS 都用VA而不是W来表示容量。

事实上，“W”总是小于等于“VA”。它们之间的换算关系可用如下公式计算出来： W = VA×功率因数。功率因数在0～1之间，它表示了负载电流做的有用功（W）的百分比。只有电热器或电灯泡等的功率因数为1。对于其他设备来说，有一部分负载没有作功。这部分电流是谐波或电抗电流，它是负载特性引起的。由于有这部分电流，所以“ VA”值比“W”值大，在功率因数为1时，“W”和“VA”值相同。

那么在我们为计算机等设备选配UPS电源时，怎样选择合适的UPS容量？若选择不当，通常会出现以下两种情况，一是容量过小，即所谓小马拉大车，很可能会造成设备的损坏；另一种情况是容量过大，造成资金的浪费。因此，正确地选择UPS的容量对网络管理人员来说是一件重要的事情。

一般来讲，UPS在容量选择应考虑以下因素：

1、实际负载情况：P=∑Pi/f

即实际所有负载的总和∑Pi，再除以功率因数f，f=0.6~0.8,即可得到实际负载容量P。

2、预留扩容：

考虑到业务发展的可能，在不大量追加投资情况下，增加UPS输出容量，这可通过两种途径实现：

A：选择可以实现现场扩容的UPS产品，如现在市面上销售的模块化UPS产品。

B：提前购买大容量UPS，但需提前投入大量的资金。

三UPS 输出电压

UPS输出电压是指市电经过UPS整形、滤波、稳压等一系列措施后输出的供电脑等负载设备使用的电压。这种电压一般都比市电电压干净，没有杂质讯号。通常UPS的输出交流电压应该稳定在220V，不能有过多偏差。

四 输出电压频率

一般电网标准频率是50Hz（赫兹）或者60Hz（赫兹），UPS允许市电频率有一定的变化范围，在这个范围内，UPS同步跟踪市电频率，超出则以本机频率输出。这个实际输出的频率就是输出电压频率。

五 UPS的输入电压范围

UPS的输入电压范围，即UPS允许市电电压的变化范围，也就是保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。范围越大说明UPS适应性越好。一般UPS的输入电压范围应该在160V~270V之间或者更宽。

在正常的输入电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长。因为当地的电压波动情况直接影响UPS的运行，特别是有些地区电网比较恶劣，白天和晚上的电压相差很大。如果UPS 要24小时工作，在如此大的变化范围里，UPS能否工作至关重要。如不能工作，只有转电池，这样一则电池并没有用于真正的断电，二则频繁转电池会影响电池的寿命。如果该UPS的转电池装置为继电器，则对继电器的损坏特别严重，大大增加了UPS的故障率。

当UPS电源以市电供电方式工作过程中，如果输入交流电源的电压高于输入电压上限和低于输入电压下限时，UPS将断开输入交流电源，而切换到电池供电方式。开机输入电压范围和输入电压范围，反映了UPS电源对电网电压变化的适应能力，开机输入电压范围和输入电压范围越宽表示机器对电网电压的波动变化适应能力越强。

六 UPS输入电压频率

UPS输入电压频率，即UPS能自动跟踪市电、保持同步的频率范围。一般电网标准频率是50Hz（赫兹）或者是60Hz（赫兹），UPS允许市电频率有一定的变化范围，亦即输入电压频率范围，这个数值可波动范围通常在正负百分之二左右，在这个范围内，UPS同步跟踪市电频率，超出则以本机频率输入。

七 UPS的转换时间

UPS的转换时间是指UPS从市电切换到电池状态或从电池状态切换到市电所需要的时间。通常UPS的转换时间不能大于10ms（毫秒）。

UPS的转换时间指标希望是越小越好，但有些容性负载可以承受短时间的转换，UPS如采用继电器则存在4~10ms的转换时间，对采用电子开关则小一些，关键是看该UPS采用何种技术。通常我们认为后备式与在线互动式有转换时间，在线式UPS则不存在转换时间，即零转换时间。

对于家庭个人使用或SOHO小型办公应用来讲，建议购买具有转换时间的后备式UPS（不要大于10ms），比较合算；而对于交通、银行、证券或大企业等重要型工作，则建议购买零转换时间的在线式UPS。

八 UPS电池

UPS（不间断电源）之所以能够在断电后，继续为计算机等设备供电，就是因为它的里面有一种储存电能的装置在起作用，这种储能的装置就是UPS电池。其主要功能是：１当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。２当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。

UPS电池的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度，然而蓄电池却又是整个UPS系统中平均无故障时间（MTBF）最短的一种器件。如果用户能够正确使用和维护，就能够延长其使用寿命，反之其使用寿命会显著缩短，蓄电池的种类一般分力铅酸电池、铅酸免维护电池及镍镉电池等，如下表所示。

考虑到负载条件、使用环境、使用寿命及成本等因素，一般选择铅酸免维护电池。用户千万不要因贪图便宜而选用劣质电池，因为这样做会影响整个系统的可靠性，并可能因此造成更大的损失。

九UPS的标称备用时间

UPS的标称备用时间是指市电断电后UPS能够供给计算机等设备的最大供电时间。

通常，UPS依备用时间可分为标准型及长效型。标准型UPS备用时间为5-15分钟，长效型为1-8小时。假如您的设备停电时，只需要存盘、退出即可，那选用标准型UPS；假如您的设备停电时，仍须长时间运转，那须选用长效型UPS。

那么UPS备用时间的长短是由什么决定的呢？是由UPS的储能装置，也就是UPS电池决定的，现在的UPS一般都用全密封的免维护铅酸蓄电池作为储能装置，电池容量的大小由"安时数（AH）"这个指标反映，其含义是按规定的电流进行放电的时间。相同电压的电池，安时数大的容量大；相同安时数的电池，电压高的容量大，通常以电压和安时数共同表示电池的容量，如12V/7AH、12V/24AH、12V/65AH、12V/100AH。

后备式UPS一般内置4AH或7AH的电池，其备用时间是固定的。如果是个人用户单机使用，这种小型后备式UPS就值得选购。在线式与在线互动式UPS有内置7AH电池的标准机型，也有外配大容量电池组的长效机型，用户可以根据需要实现的备用时间而确定配备多大容量的电池。对于公司，企事业单位等电脑等设备比较多的情况，就有必要选择提供大容量电池组的UPS，以提供更长的备用时间。

十 电源效率

电源效率是指UPS的整机电能利用率，也就是UPS从外部吸收功率与向负载输出功率两者之的比值。这个数值和UPS电源设计线路有密切的关系，高效率的电源可以提高电能的使用效率，在一定程度上可以降低电源的自身功耗和发热量。通常在线式UPS的电源效率一般能够达到90％以上。如果需要增配大中容量的交流不间断供电设备，最好选用电源效率高的在线式UPS。而其他UPS的电源效率在80％左右。

十一 噪音值

噪音是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。衡量噪音强弱的数值我们把它成为噪音值，单位通常是分贝(dB), 人耳刚刚能听到的声音是0－10分贝。分贝值每上升10，表示音量增加10倍，即从1分贝到20分贝表示音量增加了100倍。人低声耳语约为30分贝，大声说话为60－70分贝。分贝值在60以下为无害区，60－110为过渡区，110以上是有害区。 UPS的噪音值一般应该在60分贝以下为好。

根据中华人民共和国国家标准（UDC534.836)，城市各类区域环境噪声标准值列于下表。

十二 UPS的输出插座

UPS的输出插座是指UPS的电源输出接口，通常在我国UPS产品要提供两种标准规格的插座接口：两孔插座和三孔插座。不同的UPS提供的输出插座数量也不相同，一般来讲，适合个人使用的低端UPS提供一个输出插座，而中端UPS会提供2个以上的输出插座，高档的机柜式UPS提供的输出插座会更多，以满足更多设备的用电需求。

十三 市电

市电即我们所说的交流电（AC），交流电的成分包含：电压、电流、频率三种，其频率可分为50HZ（赫兹）与60HZ（赫兹）两种，电压分布由100VA至240VA。一般为220V（伏）。

十四 输出过载能力

输出过载能力是指在市电异常或负载异常时，UPS的输出稳定程度。

过载能力是UPS的关键，因为在正常运行时一般都不会出问题。最需要UPS显示能力的时候是在市电异常和负载异常时，因为在市电和负载正常时，UPS只是一个稳压器和滤波器的作用，而这个功能用一台廉价的交流稳压器就完全可以实现。因此，如果UPS只起这么一点作用那就不值得了。所以要抓住UPS主要功能，市电异常时UPS要能不间断的接续上去，负载异常时UPS要能酌情处理，即对于正常的过载要能经受得住考验，对于短路，UPS要有能力及时采取必要的措施。