上海电力学院信息与计算科学系，上海 200090
引 言
不间断电源UPS（Uninterruptible Power System），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主要设备，它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压，以及突波、杂讯等现象．早期的不间断电源是电动机－发电机组的旋转型不间断电源装置，一旦电网停电，利用飞轮的储能原理，发电机在短时间内仍可继续发电，与此同时，起动备用的柴油发动机使发电状态继续下去．到了20世纪60年代，由于晶体管技术的发展，静止式的不间断电源也大大地发展起来了．至20世纪70年代末期，大功率晶体管开始在不间断电源的研制中获得了应用，为不间断电源的小型化、高效率化、高精度化与高可靠性作出了重要贡献．到了20世纪90年代，随着电子技术的发展，不间断电源也实现了全智能化．
交流输入电源（亦称市电、电网）有时发生供电中断、电压波动、波形畸变、频率变化及出现尖峰浪涌干扰等现象．电源是计算机及其系统的心脏，计算机的关键问题是数据保护，在电源发生突然中断或者由于补偿电容器突然接入（断开）或负载突然撤除等原因造成交流电源电压突变时，都会严重影响计算机的工作，例如中断0．5s，则有25个周期消失，计算机就会发生数据丢失或程序错误，据统计表明：在计算机的所有故障中，70％以上是因为电源出现问题造成的．在电源故障中，按每月平均统计：由电压突变造成的有62次，由电压尖峰造成的有51次，由欠压或升压造成的有14次，由掉电造成的有1次，每月发生故障约128次．因此，UPS已迅速演变成为互连网的关键设备及电子商务的保卫者．
1 不间断电源的工作原理
1．1 在线式UPS的工作原理
在线式UPS的工作原理如图1所示．当在线式不间断交流电源在电网供电正常时，电网输入的电压一路经过噪声滤波器去除电网中的高频干扰，以得到纯净的电压，然后分别进入充电器对蓄电池充电，进入整流器进行整流和滤波，并将交流电转换为平滑直流电供给逆变器，而逆变器又将直流电转换成220V，50Hz的交流电供负载使用．
当发生断电时，交流电的输入已被切断，充电器不再工作，但这时蓄电池通过放电把能量送到逆变器去，再由逆变器把直流电变成交流电，供负载使用．因此，对负载来说，尽管市电已不复存在，但此时负载并未因断电而停运，仍可以正常运行．
1．2 离线式UPS的工作原理
离线式UPS的工作原理如图2所示．当电网供电正常时，一路通过整流对蓄电池进行浮置充电，而另一路通过自动稳压器、粗略稳压及吸收部分电网干扰，再由旁路转换开关直接送往用户．当发生断电时，交流电的输入已被切断，充电器停止工作，蓄电池进行放电，控制电路控制逆变器工作，使逆变器产生220 V，50Hz的交流电，输出转换开关断开市电通路，接通逆变器，继续向负载供电．
2 不间断电源的特性
2．1 在线式UPS特性
在线式UPS主要有以下几个突出的优点：
1 无论供电是否正常，其逆变器始终在工作，因为没有切换时间，所以能不间断供电，不产生切换时的电压冲击．
2 负载始终由逆变器供电，输出电压的波形、频率及电压稳定度等都得到了较好的解决，而且动态特性也比较好．
3 多数在线式UPS设有模拟指示器，用来显示它的工作状态（包括用指示灯指示市电供应、逆变器、电池、电池充电器以及整流器的运行状态、过载及超温的情况），因此，有助于使用和维修，维修人员对它的工作过程乃至故障情况一目了然，这对及时发现故障和排除故障十分有用．
4 在线式UPS的电源容量范围比较宽，小容量一般在10kVA以内，而大容量从几千kVA至几百kVA的规格都有．
但是它的缺点也很明显：
1 由于全部负载功率都有逆变器负担，因而
UPS的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如对负载电流峰值因数、过载能力、输出功率等有限制．
2 由于在线电源的线路比较复杂，所以价格比较高．
2．2 离线式UPS特性
离线式UPS因它的结构特点决定了其可以具有以下几个突出的优点：
1 由于正常供电时它是工作在离线和静止状态下的，因此，不存在噪声问题．
2 由于逆变器仅在市电断电时进入工作状态，所以逆变器的容量较小，故整机的体积也小，材料省，价格可以大幅度地降低．
3 早期的不间断电源中采用方波逆变的形式，然后再用滤波器来光滑地输出波形，而现时的离线式不间断电源就采用了脉宽调制的方式（PWM），故功率高，一般可达98％．
4 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质，且价格较低、工作稳定、电路简单和容易维修．
但是它的缺点也很明显：
1 对电网中的一些突发干扰无能为力，因为它在正常情况下是处在旁通监视状态的，所以，对一些持续时间仅几微秒的脉冲是无法响应的．
2 当市电掉电时，开关切换时间较长（2～4ms），供电不连续，如果没有稳定环节，易受市电电压波动影响，它输出的方波，其脉宽及幅值受负载电流影响，而且在切换时，负载将受到瞬间电压冲击，因此，供电质量较低，不适于打印机或日光灯等感性负载．
3 离线式UPS主要是单向的，容量也较小，一般在几百伏安至1～2kVA．
3 不间断电源的主要参数及改善性能的方法
3．1 输出电压稳定度
衡量UPS的一个主要指标就是输出电压稳定度，一般用户需要所输出的电压稳定度为±5％，但有许多UPS可以达到±2％，±1％．要保证电压的稳定性，可以采用交流稳压技术中的电压补偿原理，设计一种新的串并联功率传输方式，见图3．逆变器Ⅰ对UPS输入端进行功率因数补偿，并抑制输入电流谐波，与逆变器Ⅱ完成对输入电压补偿．当输入电压高于输出电压额定值时，逆变器Ⅱ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，而逆变器Ⅱ与逆变器Ⅰ共同完成对输出电压差值的补偿，随时监测输出电压，以保证输出电压的稳定，并对输出电压波形失真和输出电流谐波成分进行补偿．
3．2 输出频率稳定度
当市电异常或逆变器异常时，不论是由市电切换到逆变器，还是由逆变器切换到市电，都要求这种切换要“平滑”，而要做到这一点，就必须采用同频同相（一般相位差不大于3°）电源．因此，锁相是必须的，一般输入电压的频率适应范围是50Hz的±5％（或±6％）．
3．3 切换时间
由于UPS有时要在By pass和逆变器之间通过开关切换，故一般都需要切换时间．因此，一般在电路中加入储能环节，这样，切换时间虽然补充上了，但需要增加设备的造价，而利用三端口逆变器却做到了在任何情况下均可实现零切换，因为每当进行切换前，首先启动逆变器，当切换停止后才关闭逆变器，这就起到了类似存储能源的作用，当逆变器突然发生故障时，由于其变压器漏感的储能作用，也可做到“平滑”过渡．
3．4 转换功率和工作温度
效率已是UPS的一项主要指标．效率低了，一方面增加了运行时的耗电量，使环境温度提高，从而影响别的机器运行；另一方面也增加了在高温下的元件故障率，因此，可以采用几种方法来改善转换效率和降低工作温度．首先对于大功率UPS（晶闸管为主要电力电子器件），降低输入谐波电流的方法主要是采用12相或24相脉冲整流的方案．对小功率UPS则采用附加功率因数校正器的方法或采用PWM整流的方法，使输入端功率因数达到0．95～0．99．此外，可以采用微处理器和高速数字信号处理器DSP构成全数控型UPS，使所用元件数量大为减少，从而提高可靠性，减少故障，降低对工作温度的要求．
4 不间断电源在网络中的应用
电源污染是造成网络运行阻塞、数据传输不畅的重要因素，如谐波、涌浪和噪音会大大增加网络系统的数据传输误码率，导致网络数据传输速率严重下降．微型机硬件使用大量的TTL，MOS，CMOS器件，集成度高，耐压能力有限，要想彻底消除各种干扰电压，不使各种器件发生故障，只有采用UPS供电．UPS在网络中的应用示意图如图4所示．
交流市电经过整流、滤波后有UPS输出220V的交流电压分别提供给计算机、服务器、工作站、路由器、打印机等网络设备，以保证网络的正常运行．其中UPS必须加有静态旁路开关，一旦逆变器出现过载或故障，静态开关将迅速切换到交流旁路上，交流旁路可以是交流市电，也可以是另一台UPS的输出电源．另外，还设置了维修旁路开关，即在UPS需要维修时可直接由维修旁路供电．对UPS的具体参数要求为：容量或额定功率，它包括有功功率（用P表示，单位W或k W）和无功功率（用Q表示，单位是VAR或kVAR），其中有功功率P＝UIcosφ，无功功率Q＝UIsinφ（其中I为电路中的电流、U为电压、φ为电压与电流之间的相角差），要求交流输出电压稳定度为±5％，频率稳定度为±5％．此外，为了监控UPS的工作情况，可以在网络的计算机、服务器、工作站上安装电源监控软件，该软件自动监视UPS电源的运行状态，并向用户展示模拟电源流程和UPS电源的运行参数，自动执行数据存储及关闭用户操作．当用户在UPS中配置上MODEM后，它就能按照用户所预置的电话号码执行自动操作，并向网络管理人员及时通报市电故障、电池电压偏低或操作系统已关闭等通告性信息，而该软件在向用户的数据／程序提供完善和可靠保护的同时，还能确保计算机网络总是处于高效的运行状态之中．
5 结束语
从UPS的分类及发展中可清楚地看到，为了适应所使用的电网环境的需要和不同类型的负载，UPS在近50年的发展过程中，经历了由低级到高级、由简单到复杂的不断完善和发展．通过对电路的改进、分析、研究，必将使不间断电源更好地为计算机服务．
［1］ IM戈特利布．稳压电源［M］．北京：科学出版社，1993．
［2］ 何希才．新型开关电源设计与维修［M］．北京：国防工业出版社，2001．
［3］ 薛学明．稳定电源及其电路实例［M］．北京：中国铁道出版社，1990．
