不同類(lèi)型的UPS系統

市場(chǎng)上具有不同類(lèi)型的 UPS，其特性也千差萬(wàn)別，這就給數據中心行業(yè)造成了極大的混亂。例如，目前人們普遍認為只有兩種類(lèi)型的 UPS 系統，即后備式 UPS 和在線(xiàn)式 UPS。這兩個(gè)常用術(shù)語(yǔ)并不能正確地描述現有的各種 UPS 系統。在正確地了解不同類(lèi)型的 UPS 拓撲結構后，就可以消除有關(guān) UPS 系統的眾多錯誤觀(guān)點(diǎn)。UPS 拓撲結構指的是 UPS 設計的基本特征。通常，不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的機型在設計或拓撲結構上大同小異，但在性能特性方面卻相差巨大。
本文考察了常用的設計方法，并簡(jiǎn)要介紹了每種拓撲結構的工作原理。這些信息將有助于您正確地識別和比較不同的系統。
目前有多種方法來(lái)設計 UPS 系統，不同方法設計的 UPS 有截然不同的性能特點(diǎn)。最常用的設計方案如下所示：
? 后備式
? 在線(xiàn)互動(dòng)式
? 后備式-鐵磁共振式
? 雙轉換在線(xiàn)式
? Delta 轉換在線(xiàn)式
后備式 UPS
后備式 UPS 是用于個(gè)人計算機的最常見(jiàn)的類(lèi)型。轉換開(kāi)關(guān)設置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源一旦主電源出現故障，就會(huì )切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發(fā)生這種情況，轉換開(kāi)關(guān)必須進(jìn)行操作，將負載切換到電池/逆變器備用電源上逆變器只在電源出現故障時(shí)才啟動(dòng)，因此稱(chēng)作“后備式”。這種設計的主要優(yōu)點(diǎn)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路，這些系統還可以提供適當的噪聲過(guò)濾和浪涌抑制功能。
在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS
所示的在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS 是用于小企業(yè)、網(wǎng)站、部門(mén)服務(wù)器的最常見(jiàn)的設計。在此設計方案中，電池到交流電源的轉換器（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(shí)反向操作逆變器，就會(huì )給電池充電。
后備式 UPS
UPS 類(lèi)型不同類(lèi)型的UPS 系統一旦輸入電源出現故障，轉換開(kāi)關(guān)就會(huì )打開(kāi)，并通過(guò)電池向 UPS 輸出端供電。與后備式 UPS拓撲結構相比，由于逆變器始終打開(kāi)且與輸出端保持連接，這種設計進(jìn)一步增強了濾波效果，并降低了轉換瞬態(tài)過(guò)電壓。另外，在線(xiàn)互動(dòng)式設計方案通常會(huì )加入一個(gè)分接頭轉換變壓器。這樣，當輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)調整變壓器分接頭可以更好地調節電壓。在電壓較低的情況下，電壓調節是一項重要功能，否則 UPS 將轉換到電池并最終無(wú)法供電。由于這種情況而頻繁地使用電池可能會(huì )導致電池過(guò)早損壞。然而，也可以按如下方式設計逆變器，即當它出現故障時(shí)，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(diǎn)故障的可能性，并有效地提供兩條獨立的電源路徑。這種 UPS設計方案具有效率高、體積小、成本低和可靠性高的特點(diǎn)，并可校正過(guò)低或過(guò)高的市電電較廣壓，因此在功率范圍 0.5-5kVA 的應用領(lǐng)域中占相對優(yōu)勢

后備式-鐵磁共振式 UPS
后備式-鐵磁共振式 UPS 曾經(jīng)是功率范圍 3-15 kVA 的應用領(lǐng)域中使用最的 UPS 類(lèi)型。此設計依賴(lài)于一個(gè)特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個(gè)線(xiàn)圈（電源連接）。主電源路徑通過(guò)交流輸入電源、轉換開(kāi)關(guān)和變壓器，然后連接輸出端。當電源出現故障時(shí)，轉換開(kāi)關(guān)將打開(kāi)，逆變器輸出將向負載供電。
鐵磁共振設計方案中，逆變器處于后備式模式，當輸入電源出現故障且轉換開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，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節和輸出波形“修整”功能。鐵磁共振變壓器提供的對交流電源瞬態(tài)過(guò)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(huì )產(chǎn)生嚴重的輸出電壓失真和瞬態(tài)過(guò)電壓，這可能造成比交流電源連接不當更嚴重的后果。即使這種 UPS 被設計為后備式 UPS，鐵磁共振變壓器也會(huì )由于其本身的低效率而產(chǎn)生大量的熱量。另外，這些變壓器比常規的隔離變壓器體積大，因此后備式-鐵磁共振式 UPS 通常非常龐大和笨重。后備式-鐵磁共振式 UPS 系統常被視為在線(xiàn)裝置，即使該類(lèi)設備具有轉換開(kāi)關(guān)，逆變器在后備式模式下工作，并且在交流電源出現故障時(shí)表現出了轉換特征。
在線(xiàn)互動(dòng)式 UPS
高可靠性和極好的線(xiàn)路濾波功能是這種設計的優(yōu)勢。但是，這種設計的效率非常低，而且與某些發(fā)電機和新型的帶功率因數校正的計算機一起使用時(shí)，還存在不穩定的問(wèn)題，因此導致這種設計的普及性大大降低。
后備式-鐵磁共振式 UPS 系統不再普遍使用的主要原因是在承載現代計算機電源負載時(shí)，這種系統很不穩定。所有大型服務(wù)器和路由器均使用“功率因數校正”電源，這類(lèi)電源從市電中只獲取正弦電流（非常類(lèi)似于白熾燈泡）。獲取這種平穩電流是通過(guò)電容器（“獲得”適用電壓的設備）實(shí)現的，鐵磁共振 UPS 系統采用重型的鐵芯變壓器，這些變壓器具有電感式特性，即電流“滯后于”電壓。這兩種裝置組合起來(lái)就形成了“儲能”電路。儲能電路中的共振可能會(huì )產(chǎn)生高電流，而這種電流會(huì )危及所連接的負載的安全。
雙轉換在線(xiàn)式 UPS
這是 10kVA 以上功率范圍的電源最常用的 UPS 類(lèi)型。除了主電源路徑是逆變器（而非交流主電源）外，其余與后備式設計相同。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故障時(shí)，無(wú)需時(shí)間進(jìn)行在線(xiàn)運行狀態(tài)轉換。在這一設計中，整流器和逆變器將轉換全部的負載功率。這種 UPS 提供了非常理想的供電輸出性能。但功率部件的持續工作，與其它設計方案相比，其降低了可靠性。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線(xiàn)性的，可能對建筑供電系統產(chǎn)生干擾或導致備用發(fā)電機發(fā)生故。
Delta 轉換在線(xiàn)式 UPS
是一種較新的設計，這種十年前引入的技術(shù)，它克服了雙轉換在線(xiàn)式設計
的缺點(diǎn)，適用于功率范圍 5kVA 到 1.6MW 的應用領(lǐng)域。與雙轉換在線(xiàn)式設計相似，Delta 轉換在線(xiàn)式 UPS 始終由逆變器提供負載電壓。然而，附加的 Delta 轉換器也向逆變器輸出供電。在交流電源出現故障或受到干擾的情況下，這種設計所表現出的行為與雙轉換在線(xiàn)式設計完全相同。了解 Delta 轉換拓撲結構能量效率的一種簡(jiǎn)單方法是考察從大樓的第 4 層向第 5 層運送包裹時(shí)所需的能量，Delta 轉換技術(shù)運送包裹所經(jīng)過(guò)的路程只是起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的差異量(Delta)，因而大大節省了能量。雙轉換在線(xiàn)式 UPS 將交流電源轉換為直流，然后又從直流電能轉換為交流；而 Delta 轉換器將功率差值從輸入移到輸出。 Delta 轉換在線(xiàn)式設計中，Delta 轉換器具有雙重作用。第一個(gè)作用是控制輸入電力特性。運行時(shí)，它的輸入端獲取的電力呈正弦波形，從而大程度地減少反饋到市電上的諧波。這就確保了市電和發(fā)電機系統的兼容性，同時(shí)減少了配電系統中的發(fā)熱和系統損耗。Delta 轉換器的第二個(gè)作用是控制輸入電流來(lái)為電池系統充電提供控制。Delta 轉換在線(xiàn)式 UPS 提供了與雙轉換在線(xiàn)式設計完全相同的輸出特性。然而，這兩種設計的輸入特性通常并不相同。Delta 轉換在線(xiàn)式設計提供了動(dòng)態(tài)控制的、功率因數校正的輸入，而不會(huì )出現傳統解決方案低效利用濾波器組的問(wèn)題。它大的優(yōu)點(diǎn)是能量損失大為降低。此外，輸入功率控制功能也使得 UPS 能夠與所有發(fā)電機組兼容，從而減少對線(xiàn)纜和發(fā)電機的超選型。
Delta 轉換在線(xiàn)式技術(shù)是目前一種受專(zhuān)利保護的核心 UPS 技術(shù)，因此大量的 UPS 供應商還無(wú)法應用該技術(shù)。在穩定的狀態(tài)下，與雙轉換設計相比，Delta 轉換器使得 UPS 能夠以高得多的效率向負載供電。