什么是不间断电源（UPS）_UPS不间断电源的分类

能量可以通过不同的方式存储。例如我们最熟悉的手机，我们在外出时，手机可以不用一直接上电池，就是手机里有一块电能储能装置，可充电电池，而UPS不间断电源也是一样的原理。

一、什么是UPS不间断电源：

UPS不间断电源(UninterruptiblePowerSupply)是一种允许计算机在输入电源中断时至少短时间保持运行的设备。只要市电有流动，它也会补充和维持能量存储。存储的能量越多，维持电力的时间就越长，但实际的限制将在后面讨论。UPS系统之间的差异在于使它们能够完成工作的技术。

二、UPS不间断电源的分类：

最常用也是最有效的UPS类型，一般称为全时或全双转换UPS。对于任何UPS，输入的市电均为交流电(AC)，这也是大多数信息技术设备(ITE)所要求的。

另一方面，电池是直流(DC)设备，因此所有电池型UPS都必须将输入的交流电转换（或整流）为直流电，以便为电池充电。UPS还必须仍然向ITE提供交流电，因此必须通过称为逆变器的设备将直流电转换回交流电。

在双转换UPS中，电力连续流经整流器，然后通过逆变器流至ITE。输出电压和频率与输入电压和频率完全隔离且独立。它们甚至可以与输入完全不同，因此该系统在技术上被归类为电压和频率无关（VFI）。

三、与电压和频率无关：

（下图1）显示了正常运行中的VFI系统。输入功率异常有两种处理方式。浪涌抑制装置(SPD)可以吸收特别严重的电压尖峰。这些可能是由电源线、电梯或医疗电子设备上使用的大型电机的雷击引起的；焊工或许多其他来源。但即使是最小的变化，包括电压暂降或断电，也无法通过VFIUPS到达输出。

电池是出色的电减震器，但它们还为逆变器维持稳定恒定的电压，逆变器完全重新合成电压和电流，从而使输送到ITE的电力干净稳定。将空调或其他电机连接到为ITE提供服务的UPS可能会污染这种清洁的输出电源，因此不建议这样做。

注意UPS周围的旁路电路。我们稍后会解决这个问题。

VFI双转换UPS——正常模式

在正常操作中，电池始终存在于电路中，在需要时（例如在停电期间）提供少量电力，因此输出电力不会出现丝毫中断。

当市电出现故障时，如下图2所示，电池会继续向逆变器提供储存的能量，逆变器会继续向ITE提供清洁电力。当市电恢复时，电力通过整流器回流，为逆变器供电并为电池充电。

VFI双转换UPS——故障模式

四、UPS静态和维护旁路：

UPS不是不间断的。它们是电气或机械设备，因此不仅需要日常维护，而且容易出现部件故障。出于这些原因，所有UPS系统都具有内置旁路，可将输入电源路由到系统周围，并在必要时直接路由到ITE。

高品质SPD仍在电路中，但仅比在具有浪涌保护的电源板上运行家用电子产品稍好一些。它不会阻止公用电源中断或处理电压骤降或停电。如果UPS发生故障，旁路会立即作为静态开关运行。

当技术人员必须在系统上工作时，手动操作旁路以保证内部组件的安全。如果UPS处于旁路状态时市电发生故障，ITE的电源就会中断。任何仅配备一台UPS的安装都存在此漏洞。下面的图3显示了处于旁路模式的UPS。

请注意，主要尖峰已被消除，但电压下降仍在继续。

VFI双变换UPS——旁路模式

五、经济模式运行：热力学第一定律——能量守恒定律，规定能量既不能被创造，也不能被消灭。没有任何电气或机械设备是100%高效的，因此每次转换都会产生损耗，这些损耗会以热量的形式逸出。

UPS系统的效率比十年前高得多，并且从低负载到高负载都保持接近相同的效率。但整流器和逆变器仍然存在损耗，当UPS处于旁路模式时，这些损耗会被消除。许多VFIUPS现在提供一种复杂的旁路版本，称为经济模式（eco模式），如下图4所示。经济模式UPS可以在需要时恢复完全VFI运行。

当消除整流器和逆变器损耗时，可以节省电力和成本，直到停电并需要UPS全面运行。一些用户将系统设置为白天进行VFI操作，并在夜间自动切换到经济模式（如果这些操作被认为不太重要）。节能模式通常非常可靠，但许多用户对来回切换模式持谨慎态度。此外，新的VFIUPS效率与经济模式下可达到的效率相差不到1%或更少，因此许多用户现在认为这种替代运行模式是不必要的。

请注意，eco模式UPS包含高质量滤波器，这也会产生少量损耗，并且切换模式时通常会出现短暂的不稳定。Eco模式效率是统计数据，但如果电源故障很少发生且是短期的，则该效率可以达到99%。

VFI双变换UPS——经济模式

六、在线互动式UPS：

真正的在线互动式UPS，又称电压无关型（VI），因输出频率与输入相同而得名。它们看起来与经济模式下的VFIUPS几乎相同，除了整流器的尺寸以及无法切换到VFI模式之外。

较小的整流器只需要给电池充电，这有助于吸收异常情况并在电压骤降时提高功率。当断电时，电池会完全接管。下面的图5显示了电池和逆变器如何通过与输出并行运行来帮助补偿输入电压变化。

VI线交互-普通模式

下面的图6显示了传入服务出现故障时的线路交互式UPS。就像在双转换UPS中一样，电池接管工作，但旁路将市电从电路中切换出来。由于ITE大部分时间依靠市电运行，因此可以避免通过逆变器进行第二次转换，直到断电为止，从而消除了效率损失组件之一。

十年前，VIUPS的效率优势可能比VFI装置高出5%或更多，但VFIUPS的巨大改进已将这一优势降低至1%或更低。

VI线互动-故障模式

七、备用UPS：

下面的图7通常称为备用UPS，属于电压和频率相关型(VFD)。与VIUPS一样，电力直接输送至ITE，但电池和逆变器在断电之前不会进入电路。输出经过滤波，但不如真正的VI UPS稳定。

VFD备用UPS——正常模式

如下图8所示，当电源出现故障时，市电会断开电路，电池和逆变器会接通。存在一定的切换不稳定性，但延迟足够短，足以让大多数计算机电源能够渡过。

当电力恢复时（无论是市电还是发电机），逆变器会断开连接，线路电源会重新接通，并且电池会通过整流器进行充电，整流器比VFI或VIUPS小得多。

VFD备用UPS——故障模式

不幸的是，备用或VFDUPS有时被宣传为线路交互式。确定UPS的类型非常重要。国际公认的VI和VFD标识提供了绝对的区别，但制造商并不总是使用，特别是对于较小的系统。

七、机械和非电池UPS系统：

机械式UPS主要分为三种类型，其中两种也是非电池式的。这三个都是真正的VFI或双转换系统，但中间转换是纯机械的：

1．电动发电机(MG)组将电动机与发电机结合在一起。电机相当于VFIUPS中的整流器，发电机相当于逆变器。市电驱动整流器，该整流器运行直流电机并为电池充电。当电源出现故障时，电池使电机保持运转，以便发电机继续向负载供电。MG装置更常用于维持其他机械设备（例如空调）的电力，而不是为实际的ITE供电，尽管曾经有一段时间它们在旧大型计算机中相当普遍。

2．柴油旋转式UPS(DRUPS)与MG机组类似，不同之处在于没有电池（除了用于发电机启动），并且内置柴油发动机在市电故障时启动并维持供电。飞轮使发电机旋转足够长的时间，以便在机械离合器将发电机连接到发电机之前稳定发电机。同样，这些往往更多地用于维持空调供电，而不是为ITE供电。当不间断冷却对维护尤为重要时，它们通常被选为独立发电机的经济高效替代方案。

3．飞轮UPS与MG机组和DRUPS有相似之处，但也有重大区别。当市电可用时，发电机由电动机转动，但该系统仅包含一个重型飞轮来保持发电机转动，通常直到辅助发电机恢复供电为止。飞轮安装在真空密封外壳中几乎无摩擦的空气或磁力轴承上，可保持动力长达30秒。组合装置可将持续时间延长至几分钟，而不会产生其他UPS常见的热量。

八、UPS功率因数：

功率因数（pf）是有功功率与视在功率之差。这是一个很大的误解，但对于买家来说了解这一点非常重要。从历史上看，大多数大型UPS的pf均为0.8，这意味着100千伏安(kVA)UPS只能提供80千瓦(kW)的有功功率。当今大多数现代UPS的pfs为0.9至1.0，这意味着以kW为单位的有功功率更接近甚至等于以kVA为单位的视在功率。

九、集中式UPS与分布式UPS：

分布式UPS通常是指安装在每个设备柜中的小型UPS，尽管有时每排机柜都有一个UPS。存在小型VFIUPS，但许多都是VFD或VI设计，因此了解正在购买哪种技术非常重要。小型机架式UPS的pfs通常仅为0.7，因此宣传为1,000kVA的UPS可能只能提供700瓦的功率。这些都有其用武之地，但通常在只有一两个设备机架的情况下，集中式独立UPS并不经济。

小型分布式UPS的维护并不总是和大型系统一样，因此故障电池常常无法被识别，直到为时已晚。

十、选择和使用UPS系统的注意事项：

选择UPS系统有几个重要的考虑因素，包括：

1．模块化：大多数现代电池式UPS都是模块化的。它们由多个较小的UPS和电池单元组成，可以根据需要进行组合以提供容量、冗余或两者兼而有之。不再需要为了长期增长而过度购买。这个框架必须足够大才能满足长期期望。

实际模块可以根据需要购买和安装，并且可以安装一个或两个附加模块以提供冗余。例如，100kWUPS可能有六个20kW模块以提供N+1冗余。电池容量可以用同样的方式模块化增加。此外，大多数系统中的模块都是可热插拔的，因此可以移除故障模块并将其返回工厂，并在夜间发送替换模块供用户安装，而无需中断操作。

如上所述，飞轮UPS还可以进行模块化组合，以增加尺寸、运行持续时间和/或冗余。然而，这些必须由经过培训的人员添加和维护。

2．阶跃功能：当用电设备突然承受大负载时，电源可能会暂时不稳定，例如当家庭恢复供电时灯光闪烁或大型电机启动时灯光短暂变暗。这是运行2NUPS冗余时最值得关注的问题，因为一台UPS发生故障需要第二台UPS立即吸收总负载。

这在VFDUPS中也是一个令人担忧的问题，其中满负载在电源故障时转移到逆变器，并且在VI系统或在经济模式下运行的系统中可能会出现问题。在评估大型UPS系统时，电气工程师从UPS供应商处获取瞬态负载数据、进行比较并向所有者解释结果非常重要。

十一、电池和电池持续时间：

电池是一项不断发展的技术，特别是因为电池在电动汽车中的使用量不断增加。电池很重，因此应经常验证地板结构强度。目前常用三种类型的电池：

1．富液式铅酸电池或湿电池最昂贵，但使用寿命最长——通常为25年或更长。然而，他们需要独立的防火房间，配有酸排水管、氢气检测警报器、排气扇、洗眼站、雨淋和危险品防护装备。它们也是最重的，需要定期维护，并且通常用于最大和最复杂的装置。

2．阀控铅酸(VRLA)、也称为密封电池，使用糊状电解质而不是液体，并装在带有小通风口的密封包装中。它们的充电速度比湿电池慢，以避免氢气排放，因此可以在任何空间使用，无需特殊构造或保护。保修期通常为10年，但实际使用寿命通常仅为3-5年，具体取决于当地电力稳定性以及电池部分放电和充电的频率。寿命较长的VRLA电池价格较高，但通常必须指定。VRLA的重量比湿电池轻一些。

3．锂离子(Li-ion)是最新的电池，在大多数司法管辖区无需特殊房间或建筑即可使用。可能仍然有一些城市认为它们是危险的，但它们的化学成分和结构与那些在超紧凑电子产品中起火的城市完全不同。锂离子电池比VRLA更小、更轻，可以部分放电和充电而不会退化，并且预计比VRLA具有更长的使用寿命。然而，它们对于长期数据来说仍然太新。

十二、电池持续时间：

无论电池类型如何，UPS系统都会散发热量，因此UPS在没有空调的情况下运行的时间是有限的。实际限制取决于房间大小、其他设备和建筑热负荷等因素，但普遍接受的规则是30分钟到60分钟。

在某些时候，UPS会过热并进入自我保护热关机状态。因此，如果没有发电机来重新启动冷却，较长的电池持续时间会浪费空间和金钱，并大大增加电池更换成本，特别是在使用VRLA电池时。一个电池出现故障需要更换整个电池组，否则其他电池将过早失效。如果IT人员担心有序关闭，那么最好使用大多数大型UPS上提供的功能来实现这一点，该功能可以在电池寿命达到预设水平时通过网络发送信号来关闭ITE。

对于发电机，UPS通常配置仅支持几分钟的电池。优质发电机应在几秒钟内启动并稳定，但有时需要更长的持续时间，以便在发电机无法启动时提供时间。对于冗余发电机来说，这应该是不必要的。

电池组：最常见的UPS组件是电池。因此，最好的配置是使用至少两个电池组来提供所需的持续时间。

电池监控和维护：许多较新的UPS系统都采用第三方电池监控。如果不这样做，则应将其指定为附加要求。当突然承受负载时，电池往往会失效，而这正是最需要它们的时候。监控器有多种类型，制造商之间对于哪种类型最好存在争议，但任何监控系统都会在灾难发生之前对薄弱或故障的电池发出警报。湿电池需要定期维护。当监测显示电池电量较弱时，应更换电池。

变压器和接地：请注意，UPS插图中没有显示输入或输出变压器。变压器曾经是电子式UPS的标配，但现在已经很少见到了，这对效率的提高起到了很大的作用。消除变压器还有另一个潜在的优点和两个潜在的缺点：

优势：如果输入和输出电压相同，则不需要包含变压器的全环绕旁路，而维护旁路则不需要。

缺点：如果输入和输出电压必须不同，则不仅在输入或输出处需要变压器，而且还需要包含另一个变压器的全环绕旁路。

缺点：没有输出变压器将负载与UPS隔离。因此，电气工程师在设计接地系统和解决故障情况（通常称为短路）问题时必须特别谨慎，因为故障情况可能会损坏UPS输出晶体管。这通常是通过大型配电装置中的外部配电变压器来完成的。

低电能质量和发电机的注意事项

VI和VFDUPS可能会出现电源不稳定的问题。由于在电源完全恢复之前通常会出现一次或多次闪烁，因此这些UPS包含一些逻辑，可防止它们在电源稳定之前恢复正常运行。

VI和VFDUPS不应该在电源不稳定的地方使用，因为它们还具有锁定功能，如果它们来回切换过于频繁，则无法恢复正常，需要手动恢复。如果发电机切换到负载太快，并且在尝试吸收负载时出现时强时弱，也会出现同样的问题。