UPS电源原理和设计

UPS 是“不间断电源”的缩写，指的是连接在供电网络和受保护设备之间的设备，即使在断电或断电的情况下也能为设备供电。UPS 不应与其他保护设备(如稳压器、隔离变压器、瞬态抑制器等)混淆。

UPS 的实用性

如上所述，UPS 是在停电或电压下降时提供应急电源的设备。它们用于保护敏感电子设备免受电压波动或断电造成的损坏。在有主电源的情况下，UPS 将交流电转换为直流电，并存储在电池中。在断电的情况下，UPS 使用存储在电池中的能量为连接的设备供电，然后将直流电转换为交流电。UPS 有各种不同的尺寸和电容量。通过使用 UPS，敏感电子设备可以免受轻微到严重的电压波动或突然断电的影响。它们还允许设备在断电时继续运行。这对于不能中断的活动尤其重要，例如服务器、安全系统、和数据存储系统。

借助设备保护功能，UPS 有助于降低因电压波动或断电而损坏的电子设备的维修成本。配备 UPS 的大多数设备可能是个人计算机。断电会导致计算机关闭或崩溃，从而导致宝贵的工作和数据丢失或删除，造成难以想象的损失。如果在执行写入操作时发生干扰，整个硬盘都可能被毁坏。对于企业来说，存储在计算机上的敏感数据和文档通常比包含它们的硬件更有价值。尽管当今的个人计算机具有很高的可靠性，但它们很容易受到电源电压波动和下降的影响。尽管当今的技术已经取得了显著的成果，仍然没有一条不受干扰的配电线路，问题，甚至是难以察觉的问题，几乎是司空见惯的。

静态UPS

UPS 通常可纠正高电压和低电压事件，例如电压尖峰和电压骤降。因此，要为您的设备实施保护，您需要足够的保护，以确保即使在没有电的情况下也能正常运行。通过安装适当的 UPS，设备可免受电气干扰带来的危险影响。如果长时间断电，UPS 可提供足够时间的电力来保存数据并有序关闭应用程序，从而消除中断的影响。一旦完成此维护，就可以关闭设备，因为电池根据其特定电容量具有有限的自主性。通常，UPS 可提供约 10 或 15 分钟的备用电源，尽管使用大容量电池可以获得更长的续航时间。

由于 UPS 在长时间停电期间仅提供有限的电量，因此用户应采取一些预防措施，以防止在 UPS 无法再为其设备供电之前丢失数据。最先进的 UPS 型号有一个通信端口，允许与要保护的设备进行逻辑连接。静态 UPS 使用电力电子设备而不是电动发电机为负载提供电能。如今，大多数 UPS 都是这种类型。UPS 的一般结构如图 1 所示。一种广泛使用的 UPS 类型称为“双转换”，其特点在于输入和输出从不直接接触，这是因为它们执行两次转换，从交流电到直流电，反之亦然。在中间点，电池插入为逆变器供电的求和节点，即执行第二次转换的模块，这样就不会发生切换，并且电压变化也不会影响输出。

有时，这种类型的 UPS 配备变压器，该变压器还具有隔离功能。在这种类型的操作下，电源在主电源和电池之间切换时没有延迟时间。另一种操作模式被定义为“离线”，其中逆变器仅在主电源电压故障时运行。管理系统所需的能量显然少于前一种，但在这种情况下，能源的改变需要几毫秒的延迟时间，在此期间负载与所有能源断开连接。

图 1：UPS 的一般结构

如今，双转换UPS的设计元件种类繁多。最初使用的是IGBT，但目前，碳化硅(SiC)MOSFET在效率、功率密度和成本效益方面远远超过硅，而且功率损耗低。通常，开关频率等于或大于25 kHz，以避免产生任何可听见的和恼人的音调。

交流到直流的转换过程已在之前的文章中介绍过，因此这里无需重复。UPS 的功能不仅在于转换和供应能量，而且不幸的是，还在于在存在干扰元素的情况下对其进行管理。很多时候，由于存在不良影响会改变其基本特性，因此电力质量会降低。这些干扰可能是电压峰值和下降、谐波的存在以及电力线中的噪声。幸运的是，这些不良事件持续时间很短，并且是人为的(附近其他设备的操作)或自然的(雷电或电气放电)。现在让我们深入研究两种常见的 UPS 类型，即离线 UPS 和在线(或双转换)UPS，尽管实际上还有很多其他的。

离线式UPS

这种类型的 UPS 用于低功率(参见图 2 中的总图)。在有电源电压的情况下，负载通过静态开关供电，该开关配备有滤波器以减少任何电源干扰。同时，AC/DC 转换器为电池充电。因此，输出电流实际上与输入电流相同。但是，当电源电压故障时，负载由带有逆变器的电池供电。这种 UPS 模式允许您获得简单、小巧且经济的设备。但是，它们不能保证输入和输出之间有足够的隔离，而且切换时间通常很长，因此负载会在几十毫秒内处于断电状态。

图2：离线式UPS的总体示意图

双转换在线式UPS

双转换 UPS 比之前的 UPS 更为复杂(见图 3 中的总图)。在有电源电压的情况下运行期间，负载由逆变器供电。在这种情况下，存在双 AC/DC 和 DC/AC 转换。在没有电的情况下，使用储能电池，DC/AC 转换器为负载供电。因此，切换是即时的，没有瞬变，负载受到保护并与整个配电系统隔离。最终，性能更好，但成本更高。

图 3：双转换 UPS 的总体方案

以简单的 UPS 电路作为起点

图 4 显示了由分立元件制成的小型 UPS 的通用示例。它的操作毫不费力，不使用逆变器或稳压器，可用于为低电流负载供电。在正常运行中，即在有主电源的情况下，电池通过电阻器 R3 充电。交流电压由 D1、D2、D3 和 D4 以及电解电容器 C1 组成的桥整流和调平。功率晶体管处于饱和状态，并通过二极管 D7 为负载供电。此配置旨在稳定中等电流负载的输出电压。当主电压故障时，晶体管不再传导电流。因此，负载由电池供电。在这种配置中，齐纳二极管的选择非常微妙和关键。

图 4：带有分立低功耗元件的简单 UPS 的通用图

图 5 显示了与最重要节点相关的图表。我们可以从顶部开始观察到以下轨迹：

· 第一张图显示了网络中电流流动的逻辑趋势。它在模拟的前 3 秒内存在，然后停电 1 秒，然后电能恢复 3 秒并消失 1 秒，依此类推。

· 第二张图显示交流电源电压为 230 V(RMS)。停电期间，电压为 0。

· 第三张图显示了正常运行和断电期间负载两端的电压。如您所见，断电期间电压略有下降，约为 0.5 V。

· 第四张也是最后一张图显示了流过电池和二极管 D6 的电流。在正常运行期间，在有电源电压的情况下，电池消耗为零，而是通过电阻器 R3 稍微充电。

图 5：与建议的 UPS 的最重要节点相关的图表

结论

毫无疑问，UPS 是一项重要的投资，可以保护敏感电子设备，尤其是其中存储的任何数据和信息。在选择购买 UPS 时，重要的是要考虑几个技术和操作因素，以确保它完全适合您的需求。对电力的日益依赖往往需要替代和应急电源系统。要评估的一个重要因素是对环境的尊重。事实上，目前 UPS 不能用发动机发电机和柴油来制造。最新技术也在评估使用超级电容器作为能源的解决方案，当主电网发生电力中断时，这可以确保更好的结果。