教你辨別市場上不同類型的UPS系統(圖)

目前，市場上充斥著各種不同類型的UPS系統，其特性也各不相同。現在，APC對于每種UPS類型都給出了明確的定義，分析每種系統的實際應用，并列出了各種系統的優缺點。借助于這些信息，您可以做出明智的決策，選擇適合自己需要的UPS拓撲結構，創建高效企業。

對于UPS的認識，人們還普遍認為只有兩種類型，即后備式UPS和在線式UPS。這兩個常用術語并不能正確地描述現有的UPS系統。在正確地了解不同類型的UPS拓撲結構后，就可以消除有關UPS系統的眾多錯誤觀點。UPS拓撲結構指的是UPS設計的基本特征。通常，不同廠商生產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。

UPS類型

目前有多種方法來設計UPS系統，不同方法設計的UPS有截然不同的性能特點。最常用的設計方案如下所示：

•后備式

•在線互動式

•后備式-鐵磁共振

•雙轉換在線式

•Delta轉換在線式

后備式UPS

后備式UPS是用于個人計算機的最常見的類型。在圖1所示的結構圖中，轉換開關設置為選擇濾波后的交流輸入作為主電源（實線路徑），一旦主電源出現故障，就會切換到電池/逆變器作為備用電源。一旦發生這種情況，轉換開關必須進行操作，將負載切換到電池/逆變器備用電源上（虛線路徑）。逆變器只在電源出現故障時才啟動，因此稱作“后備式”。這種設計的主要優點是效率高、尺寸小和成本低。如果采用適宜的濾波電路和浪涌保護電路，這些系統還可以提供適當的噪聲過濾和浪涌抑制功能。

圖 1–后備式UPS

在線互動式UPS

圖2所示的在線互動式UPS是用于小企業、網站、部門服務器的最常見的設計。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反向操作逆變器，就會給電池充電。

一旦輸入電源出現故障，轉換開關就會打開，并通過電池向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且與輸出端保持連接，這種設計進一步增強了濾波效果，并降低了轉換瞬態過電壓。

另外，在線互動式設計方案通常會加入一個分接頭轉換變壓器。這樣，當輸入電壓發生變化時，通過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法供電。由于這種情況而頻繁地使用電池可能會導致電池過早損壞。然而，也可以按如下方式設計逆變器，即當它出現故障時，仍然允許電源從交流輸入流向輸出，這樣，就消除了發生單點故障的可能性，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，并可糾正過低或過高的市電電壓，因此在功率范圍0.5-5kVA的應用領域中占絕對優勢。

圖2–在線互動式UPS

后備式-鐵磁共振UPS

后備式-鐵磁共振UPS曾經是功率范圍3-15kVA的應用領域中使用最廣泛的UPS類型。此設計依賴于一個特殊的飽和變壓器，該變壓器具有三個線圈（電源連接）。主電源路徑通過交流輸入電源、轉換開關和變壓器，最后連接輸出端。當電源出現故障時，轉換開關將打開，逆變器將向輸出負載供電。

在后備式-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關打開時，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過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產生嚴重的輸出電壓失真和瞬態過電壓，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由于其本身的低效率而產生大量的熱量。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UPS通常非常龐大和笨重。

雖然該類設備具有轉換開關，逆變器在后備式模式下運作，并且在交流電源出現故障時表現出了轉換特征，后備式-鐵磁共振UPS系統常被視為在線裝置。圖3說明了后備式-鐵磁共振拓撲結構。

圖3后備式-鐵磁共振拓撲結構

高可靠性和極好的線路濾波功能是這種設計的優勢。但是，這種設計的效率非常低，而且與某些發電機和新型的功率因數校正計算機一起使用時，還存在不穩定的問題，因此導致這種設計的普及性大大降低。

后備式-鐵磁共振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，這種系統可能根本不穩定。所有大型服務器和路由器均使用“功率因數校正”電源，這類電源從市電中只獲取正弦電流（非常類似于白熾燈泡）。獲取這種平穩電流是通過電容器（“獲得”適用電壓的設備）實現的，鐵磁共振UPS系統采用大量的變壓器，這些變壓器具有感應特性，即電流“滯后于”電壓。這兩種裝置組合起來就形成了“儲能”電路。儲能電路中的共振可能會產生高電流，而這種電流會危及所連接的負載的安全。

雙轉換在線式UPS

這是10kVA以上功率范圍的電源最常用的UPS類型。在圖4所示的雙轉換在線式UPS的結構圖中，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。

圖4 雙轉換在線式UPS

在雙轉換在線式設計中，輸入交流電發生故障并不會激活轉換開關，因為輸入交流電一直在給備用電池充電，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，無需時間進行在線運行狀態轉換。

在這一設計中，電池充電器和逆變器將轉換全部的負載功率，并由于產生了更多的熱量而導致效率降低。

這種UPS提供了非常理想的供電輸出性能。這一設計的可靠性高于其他設計，但功率部件的持續耗損降低了這種可靠性，而且在UPS的整個生命周期成本中，由于電源效率低下而消耗的電能占據了很大一部分。此外，大型電池充電器獲得的輸入電源通常是非線性的,可能對建筑供電系統產生干擾或導致備用發電機發生故障。
Delta轉換在線式UPS

圖5所示的UPS設計是一種更新的設計，這是10年前引入的技術，它克服了雙轉換在線式設計的缺點，適用于功率范圍5kVA到1.6MW的應用領域。與雙轉換在線式設計相似，Delta轉換在線式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式設計完全相同。

轉換在線式UPS

了解Delta轉換拓撲結構能量效率的一種簡單方法是考察從大樓的第4層向第5層運送包裹時所需的能量，如圖6所示。Delta轉換技術運送包裹所經過的路程只是起點與終點之間的差異量(Delta)，因而大大節省了能量。雙轉換在線式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轉換器將電源從輸入移到輸出。

Delta轉換在線式設計中，Delta轉換器具有雙重作用。第一個作用是控制輸入電源特性。它在輸入端獲取正弦電源，從而最大程度地減少反映到設備上的雜波。這就確保了高效率和發電機系統的兼容性，同時減少了配電系統中的發熱和系統損耗。

Delta轉換在線式UPS提供了與雙轉換在線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轉換在線式設計提供了動態控制的、功率因數校正的輸入，而不會出現傳統解決方案低效利用濾波器組的問題。它最大的優點是能量損失大為降低。此外，輸入電源控制功能也使得UPS能夠與所有發電機組兼容,Delta轉換在線式技術是目前唯一一種受專利保護的核心UPS技術，因此大量的UPS供應商還無法應用該技術。

在穩定的狀態下，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。