UPS的电路结构及性能特点

一、 UPS电路结构种类
    当前技术成熟并已形成产品的各种UPS，就其主电路结构和不停电供电运行机制来看，主要有四大类：
·后备式
·在线互动式
·双逆变在线式
·双逆变电压补偿在线式（delta逆变器）

图(一)、(二)、(三)、(四)分别是以上四种类型UPS的基本电路结构形式。
1、 后备式是静止式UPS的最初形式，因为应用得早，用得广泛，因而技术和产品都是很成熟的，图（一）中电路各环节的功能为：
·充电器：市电存在时，对蓄电池充电并浮充，如果是长延时UPS，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。
·DC-AC逆变器：市电存在时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。

·输出转换开关：市电存在时，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。 智能调压：市电存在时，可调节稳定输出电压。
后备式UPS的性能特点是：
·当市电存在时，效率高，可达98%以上；
·当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流，UPS本身不 产生附加输入功率因数和谐波电流失真；
·当市电存在时，输出能力强，对负载电流波峰系数、浪涌电流系数、输出功率因数、过载等没有严格地限制；
·市电掉电时，输出有转换时间,一般可做到4ms左右,足以满足负载要求；
·当市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求；
·当市电存在时，整机要靠附加滤波电路提高UPS双向抗干扰功能；
·电路简单，成本低，可靠性高；
·由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一定困难，当前面市的后备式UPS多在2KVA以下。
2、 在线互动式的在线含意是逆变器处于热备份状态，同时兼顾了对电池充电的功能，提高了后备式UPS的功率容量，减小了市电掉电时的转换时间，提高了对输出电压的滤波作用。

图（二）中电路各环节的功能如下： 
·输入开关：当市电掉电时（指电网失压），断开开关，防止逆变器向电网馈电；
·智能调压：市电存在时，可调节稳定输出电压；
·DC/AC逆变器：此逆变器可双向逆变，当市电存在时，逆变方向是AC- DC, 给电池充电并浮充；市电掉电后，逆变方向为DC-AC，由电池供电，保持UPS继续向负载供电。
在线互动式UPS的性能特点是：
 
 
·当市电存在时，效率高，可达98%以上；
·当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波成份取决于负载 电流，UPS本 身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真；
·当市电存在时，输出能力强，对负载电流峰值系数、浪涌电流系数、输出功率 因数、过载等没有严格地限制；
·市电掉电时，因为输入开关存在开断时间，至使UPS输出仍有转换时间，但比后备式要小；
·市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求；
·市电存在时，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状况，对输出电压尖峰干扰有滤波作用；
·电路更简单，成本低，可靠性高；
·逆变器同时有充电功能，省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强的多，当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备；
·由于逆变器与输出直接接在一起，没有转换开关的限制，所以输出功率可提高到5-10KVA。
为了进一步改善在线互动式的功能，可在输入开关和智能调压之间串接一个电感，目的在于当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，因为串联电感对逆变输出反馈到电网的电流有很强的抑制作用，避免了输入开关未断开时短路逆变器输出的危险，这样做可以使在线互动式的转换时间减小到零，使其完全具备双逆变在线式的转换功能，同时还增加了整个UPS的抗干扰能力。但是，这样做却带来了降低UPS输入功率因数的不良后果。
3、 双逆变在线式 
当前，绝大多数在线式，特别是大功率在线式UPS，大都采用了双逆变电路结构，图（三）中电路各环节功能如下：

　·逆变器（Ⅰ）：该逆变器为AC-DC单向逆变，当市电存在时，它完成对电池的充电，并通过逆变器（Ⅱ）向负载供电，该逆变器多为整流或可控整流电路； 
 
　·逆变器（Ⅱ）：该逆变器为DC-AC单向逆变，当市电存在时，它由逆变（Ⅰ）取得功率后再送到输出端，并保证向负载提供高质量的电源；当市电掉电时，由电池通过逆变器（Ⅱ）向负载供电；
　·旁路开关：平时处在断开状态，当逆变电路发生故障，或者当负载有冲击性（例如启动负载时）或故障过载时，逆变器停止输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电，旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。
双逆变在线式UPS的性能特点如下：
　·因为不管市电有无，负载的全部功率都由逆变器给出，所以可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标，都是比较高的；
　·市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间；
　·因为无论市电有无，全部负载功率都由逆变器供出，UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以对负载提出限制条件，例如输出电流峰值系数（一般只达到3:1）、过载能力、输出功率因数（一般为0.8）、输出有功功率小于标定的KVA数，应付冲击性负载的能力等；
　·由于逆变器（Ⅰ）多为整流电路，对电网形成电流谐波干扰，输入功率因数低，经滤波后，最小的谐波电流成份在10%左右，而输入功率因数只有0.8左右，如果在逆变器（Ⅰ）中使用功率因数校正技术，则可把输入功率因数提高到接近1，输入电流谐波成份也会大幅度降低；
　·在市电存在时，由于两个逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低，10KVA以下的UPS为80%左右，50 KVA的可达85-90%，100 KVA以上的可达90--92%。
4、 双逆变电压补偿在线式技术是由美国APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成产品的，同样是双逆变电路结构，同样是在线工作，但是，由于它成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了UPS的主电路中，相对双逆变在线式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在适应电网环境并且不干扰破坏电网、在输出能力和可靠性等多项UPS主要指标方面都有了新的突破。APC Silcon称此电路结构为Delta逆变技术。

图（四）中各环节的功能为： 
·逆变器（Ⅰ）：它是一组DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的输出变压器（高 频）的付边串联在UPS主电路中，其功能有三个：
第一：对UPS输入端进行输入功率因数补偿，并抑制输入电流谐波；
第二：与逆变（Ⅱ）一起，完成对输入电压的补偿，当输入电压高于输出 电压额定值时，逆变器（Ⅰ）吸收功率，反 
 
极性补偿输入输出电压的差值，当输入电压低于输出电压额定值时，逆变器（Ⅰ）输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值；
第三：与逆变器（Ⅱ）一起完成对电池的充电和浮充功能。
·逆变器（Ⅱ）：该逆变器同样是DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的功能有四个：
　第一：同逆变器（Ⅰ）一起，完成对输入输出电压差值的补偿；
　第二：同逆变器（Ⅰ）一起完成对电池的充电和电压浮充功能；
　第三：随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，对输出电压波形失真和输出电流谐波成份进行补偿，使其不对电网产生影响；
　第四：当市电掉电时，全部输出功率由逆变器（Ⅱ）给出，并且保证输出电压不间断，转换时间为零。
　

图（五）是双逆变电压补偿在线式UPS在各种情况下电流和功率传输示意图（这里假定UPS效率为100%）
 
双逆变电压补偿在线式的性能特点如下：
    因为逆变器（Ⅱ）随时监视控制输出电压，并通过逆变（Ⅰ）参与主回路电压的调整，所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真等指标，都是比较高的。
    市电掉电时，输出电压不受响应，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时，也由逆变器（Ⅱ）调整补偿掉，所以是典型的在线工作方式。
    当市电存在时，逆变器（Ⅰ）和（Ⅱ）只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量大，这就大大增强了UPS的输出能力，与双逆变在线式相比，过载能力增强（200%,1分钟），不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，不再对负载功率因数进行限制，输出有功功率可以等于标定的KVA值。
·逆变器（Ⅰ）同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。
    在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，所以整机效率在很大的功率范围内都可达到96%。
    在市电存在的情况下（UPS连续运行时间的99%是有市电的），逆变器功率强度仅为设计值（逆变器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整机的寿命和可靠性必然大幅度提高。

二、 四种电路结构UPS的性能特点
　　四种结构形式的UPS并存，这是目前UPS技术和市场的现实，这种现象是在对UPS使用要求不断提高和UPS技术不断进步的过程中形成的，如果从技术先进性、主要性能指标（对电网的适应能力，输出能力和可靠性）的优劣、输出功率等级、生产成本、不同的使用场合等方面做一下综合性的比较，可以肯定，虽然这四种类型的UPS将并存下去，但必然会在使用过程中不断改进技术，提高性能，当然，优胜劣汰也是在所难免的。
　　但是，由于UPS功能概念发生了变化,对UPS硬件技术提出更高的要求,这种要求可用"实用、可靠"四个字来概括，换句话说，目前的UPS的各种性能指标，虽然基本上可以满足作用者的要求，但还有很多局限性和不足之处。
    UPS做为一级供电设备，在性能指标方面，应该满足哪些供电设备（使用者）的要求，应该对负载做出什么样的承诺呢，就目前情况看，这个问题既明确，似乎是不言而喻的事，但又存在着对使用者的误导现象，造成在评价一台UPS性能优劣时的好坏不分、良莠不齐的现象。
下面的几种倾向和观点是值得研制生产者和使用者注意的：
1、 不应该过分追求对常规指标的高标准要求
    所谓常规指标，是指诸如输出电压稳定精度、失真度、频率稳定精度、相差（三相）、电压平衡度（三相）、转换时间（后备式UPS以及在线式向旁路转换）、动态响应等，这些指标代表了UPS输出电压的质量。事实上，当前各品牌的UPS在这些指标方面都已达到了很高的标准，对满足负载的要求来说，已绰绰有余，是否可以这样说，这些常规指标是供电设备输电电压指标性能必须具备但并不苛刻的条件，可是令人担心的是，当前一些UPS厂家多以这些指标的高标准做为自己品牌的UPS的质量标志，而用户也常常以这些规格指标的优劣做为评价和决定是否选购的条件。

2、 不应该轻视甚至忽视对UPS输出能力和可靠性的考察
    UPS做为一级供电设备，首先要求它在复杂的电网环境下能正常投入运行，并且不对电网造成干扰和破坏；二是要全面的改善电网质量；三是要考察它的输出能力和可靠性。特别是第一点和第三点，当前的UPS还有很多不足之处。对于电网环境，输入电压可变范围不够，（例如±15%）不能适应我国电网电压
    变动幅度较大的实际情况，UPS输入功率因数低（例如0.8左右），输入电流谐波大（≥10%），对电网电压有干扰和破坏作用，至于输出能力，存在的局限更明显，与真正的电网供电能力相比要差得多，例如对特殊负载，诸如强容性负载，强感性负载，非周期性冲击负载，周期性冲击负载，负载故障乃至人为误操作故障所造成的对UPS输出的破坏性威胁。如果直接用电网供电，电网容量以及配电部件（变压器、开关、保险等）是可以承受的。而用UPS供电则没有把握，事实上，UPS往往是在启动过程和上述特殊负载和故障中损坏的。在使用中，使用者要用前级附加交流稳压设备解决UPS（特别是大功率UPS）允许电网电压变化范围不够大的问题，至于输入功率因数低和谐波电流大，只能无可奈何的任其存在了。在输出能力方面，UPS厂家对负载提出了种种限制，例如输出电流峰值系数（一般不能超过3:1）、非周期性冲击负载（增加UPS配电容量）、负载功率因数（一般在0.8左右，使UPS标定的KVA≠KW）
等，同真实的电网相比，这些限制是不应该有的，这些限制反映了UPS输入输出能力的局限性，应该说，输出能力和可靠性才是UPS硬件技术最关键的指标。
3、 关于转换时间的问题
    厂家的宣传和媒介的误导，使用户错认为在线式UPS没有转换时间，没有转换时间的UPS的性能就高人一等。这是一种偏见，请看下面两个事实：

第一：后备式UPS只在市电掉电一种情况下存在转换时间，而在线式UPS不仅在逆变器故障时存在逆变====旁路的转换时间，由于逆变器输出能力有局限，当负载故障、过载和启动时（存在冲击电流）也存在向旁路的转换时间。
第二：当负载输入端存在整流滤波电路（例如计算机）时，负载输入电流只在正弦波电压峰值时存在，电流脉冲宽度只有3-4ms（与负载量及电路参数有关），也就是说, 每10ms期间，就有6-7ms是断电的，每秒钟要断电100次，从这个意义上看，不间断电源是不存在的，或者说是不必要的。问题在于UPS转换时间的大小，一般计算机输入整流滤波电路的贮能可维持负载供电的时间为几十毫秒。而目前后备式UPS的转换时间都能控制在4ms以下，对负载基本上不造成任何影响。
4、 关于UPS的输入功率因数和输入电流谐波
　 双逆变在线式UPS，其AC/DC逆变器多为整流滤波电路，它的输入功率因数低，一般只在0.8左右，输入电流谐波大，可达30%，加专门滤波措施后，也仅能降到10%。输入功率因数低，意味着输入无功功率大，输入谐波电流则干扰破坏电网，特别是三相大功率UPS。这两项指标的危害很大，形成所谓的电力公害，使由同一电网供电的变压器、电动机、电容器等产生附加谐波损耗、过热、加速绝缘老化；引起异步电动机转矩降低，振动加剧，噪声增大；引起继电器和自动装置误动作；高次谐波对通讯线路、测量仪器产生辐射干扰；影响电能计量的精度等。所以，UPS的输入功率因数和输入谐波电流应被视为重要性能指标之一，应该把输入功率因数>0.95，输入电流谐波<5%，做为判定UPS性能指标是否合格的标准之一。 5、 关于UPS的频率稳定度
　　UPS的输出的常规指标中有频率稳定精度一项，特别是双逆变在线式UPS，把此指标标定为<±1%(甚至是0.1)，但这只是在市电掉电后由电池供电时的情况，UPS万分之九十九的时间是在有市电的情况下运行时，此时UPS无频率稳定可言。在线式UPS为防止由逆变器转旁路时因逆变器输出短路而损坏，在正常运行时，要求逆变器工作频率和相位都是要跟踪输入电网电压的，所以标识UPS频率稳定的高指标是没有意义的，况且，一般电子设备在输入电源频变化范围为±3%时丝毫不影响其正常工作。
6、 关于效率与可靠性
    UPS的工作效率高时，意味着节省电能，是绿色电源的标识之一。但还应该注意到效率与可靠性是密切相关的，效率高意味着电路技术先进，元器件选用得好，意味着功率器件功率损耗小，功率强度小，温度低，这必然会增强元器件乃至整机的寿命和可靠性。
7、 输出能力与可靠性
    输出功率因数、输出电流波峰系数、输出过载能力、输出不平衡负载的能力等指标，直接反映了UPS的输出能力，对这些指标的限制，说明了UPS输出能力的局限性和脆弱的一面，尽管在配置UPS容量时尽可以使负载量满足UPS的要求，甚至留出很大的余量，但这些指标却直接反映了UPS的可靠性。过载能力强的，允许输出电流波峰系数高的，对负载功率因数限制小的，在同样电网环境和负载条件运行，其可靠性必然高，这是毋容置疑的道理。 
　　下表是在市电存在的情况下对各类UPS运行参数的比较，当市电掉电转为由电池供电时，各类UPS都是由DC-AC逆变器供电，运行参数没有本质的区别。