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[導(dǎo)讀]UPS 是“不間斷電源”的縮寫,指的是連接在供電網(wǎng)絡(luò)和受保護設(shè)備之間的設(shè)備,即使在斷電或斷電的情況下也能為設(shè)備供電。UPS 不應(yīng)與其他保護設(shè)備(如穩(wěn)壓器、隔離變壓器、瞬態(tài)抑制器等)混淆。

UPS 是“不間斷電源”的縮寫,指的是連接在供電網(wǎng)絡(luò)和受保護設(shè)備之間的設(shè)備,即使在斷電或斷電的情況下也能為設(shè)備供電。UPS 不應(yīng)與其他保護設(shè)備(如穩(wěn)壓器、隔離變壓器、瞬態(tài)抑制器等)混淆。

UPS 的實用性

如上所述,UPS 是在停電或電壓下降時提供應(yīng)急電源的設(shè)備。它們用于保護敏感電子設(shè)備免受電壓波動或斷電造成的損壞。在有主電源的情況下,UPS 將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,并存儲在電池中。在斷電的情況下,UPS 使用存儲在電池中的能量為連接的設(shè)備供電,然后將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。UPS 有各種不同的尺寸和電容量。通過使用 UPS,敏感電子設(shè)備可以免受輕微到嚴重的電壓波動或突然斷電的影響。它們還允許設(shè)備在斷電時繼續(xù)運行。這對于不能中斷的活動尤其重要,例如服務(wù)器、安全系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

借助設(shè)備保護功能,UPS 有助于降低因電壓波動或斷電而損壞的電子設(shè)備的維修成本。配備 UPS 的大多數(shù)設(shè)備可能是個人計算機。斷電會導(dǎo)致計算機關(guān)閉或崩潰,從而導(dǎo)致寶貴的工作和數(shù)據(jù)丟失或刪除,造成難以想象的損失。如果在執(zhí)行寫入操作時發(fā)生干擾,整個硬盤都可能被毀壞。對于企業(yè)來說,存儲在計算機上的敏感數(shù)據(jù)和文檔通常比包含它們的硬件更有價值。盡管當(dāng)今的個人計算機具有很高的可靠性,但它們很容易受到電源電壓波動和下降的影響。盡管當(dāng)今的技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的成果,仍然沒有一條不受干擾的配電線路,問題,甚至是難以察覺的問題,幾乎是司空見慣的。

靜態(tài)UPS

UPS 通常可糾正高電壓和低電壓事件,例如電壓尖峰和電壓驟降。因此,要為您的設(shè)備實施保護,您需要足夠的保護,以確保即使在沒有電的情況下也能正常運行。通過安裝適當(dāng)?shù)?UPS,設(shè)備可免受電氣干擾帶來的危險影響。如果長時間斷電,UPS 可提供足夠時間的電力來保存數(shù)據(jù)并有序關(guān)閉應(yīng)用程序,從而消除中斷的影響。一旦完成此維護,就可以關(guān)閉設(shè)備,因為電池根據(jù)其特定電容量具有有限的自主性。通常,UPS 可提供約 10 或 15 分鐘的備用電源,盡管使用大容量電池可以獲得更長的續(xù)航時間。

由于 UPS 在長時間停電期間僅提供有限的電量,因此用戶應(yīng)采取一些預(yù)防措施,以防止在 UPS 無法再為其設(shè)備供電之前丟失數(shù)據(jù)。最先進的 UPS 型號有一個通信端口,允許與要保護的設(shè)備進行邏輯連接。靜態(tài) UPS 使用電力電子設(shè)備而不是電動發(fā)電機為負載提供電能。如今,大多數(shù) UPS 都是這種類型。UPS 的一般結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。一種廣泛使用的 UPS 類型稱為“雙轉(zhuǎn)換”,其特點在于輸入和輸出從不直接接觸,這是因為它們執(zhí)行兩次轉(zhuǎn)換,從交流電到直流電,反之亦然。在中間點,電池插入為逆變器供電的求和節(jié)點,即執(zhí)行第二次轉(zhuǎn)換的模塊,這樣就不會發(fā)生切換,并且電壓變化也不會影響輸出。

有時,這種類型的 UPS 配備變壓器,該變壓器還具有隔離功能。在這種類型的操作下,電源在主電源和電池之間切換時沒有延遲時間。另一種操作模式被定義為“離線”,其中逆變器僅在主電源電壓故障時運行。管理系統(tǒng)所需的能量顯然少于前一種,但在這種情況下,能源的改變需要幾毫秒的延遲時間,在此期間負載與所有能源斷開連接。

圖 1:UPS 的一般結(jié)構(gòu)

如今,雙轉(zhuǎn)換UPS的設(shè)計元件種類繁多。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遠遠超過硅,而且功率損耗低。通常,開關(guān)頻率等于或大于25 kHz,以避免產(chǎn)生任何可聽見的和惱人的音調(diào)。

交流到直流的轉(zhuǎn)換過程已在之前的文章中介紹過,因此這里無需重復(fù)。UPS 的功能不僅在于轉(zhuǎn)換和供應(yīng)能量,而且不幸的是,還在于在存在干擾元素的情況下對其進行管理。很多時候,由于存在不良影響會改變其基本特性,因此電力質(zhì)量會降低。這些干擾可能是電壓峰值和下降、諧波的存在以及電力線中的噪聲。幸運的是,這些不良事件持續(xù)時間很短,并且是人為的(附近其他設(shè)備的操作)或自然的(雷電或電氣放電)?,F(xiàn)在讓我們深入研究兩種常見的 UPS 類型,即離線 UPS 和在線(或雙轉(zhuǎn)換)UPS,盡管實際上還有很多其他的。

離線式UPS

這種類型的 UPS 用于低功率(參見圖 2 中的總圖)。在有電源電壓的情況下,負載通過靜態(tài)開關(guān)供電,該開關(guān)配備有濾波器以減少任何電源干擾。同時,AC/DC 轉(zhuǎn)換器為電池充電。因此,輸出電流實際上與輸入電流相同。但是,當(dāng)電源電壓故障時,負載由帶有逆變器的電池供電。這種 UPS 模式允許您獲得簡單、小巧且經(jīng)濟的設(shè)備。但是,它們不能保證輸入和輸出之間有足夠的隔離,而且切換時間通常很長,因此負載會在幾十毫秒內(nèi)處于斷電狀態(tài)。

圖2:離線式UPS的總體示意圖

雙轉(zhuǎn)換在線式UPS

雙轉(zhuǎn)換 UPS 比之前的 UPS 更為復(fù)雜(見圖 3 中的總圖)。在有電源電壓的情況下運行期間,負載由逆變器供電。在這種情況下,存在雙 AC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換。在沒有電的情況下,使用儲能電池,DC/AC 轉(zhuǎn)換器為負載供電。因此,切換是即時的,沒有瞬變,負載受到保護并與整個配電系統(tǒng)隔離。最終,性能更好,但成本更高。

圖 3:雙轉(zhuǎn)換 UPS 的總體方案

以簡單的 UPS 電路作為起點

圖 4 顯示了由分立元件制成的小型 UPS 的通用示例。它的操作毫不費力,不使用逆變器或穩(wěn)壓器,可用于為低電流負載供電。在正常運行中,即在有主電源的情況下,電池通過電阻器 R3 充電。交流電壓由 D1、D2、D3 和 D4 以及電解電容器 C1 組成的橋整流和調(diào)平。功率晶體管處于飽和狀態(tài),并通過二極管 D7 為負載供電。此配置旨在穩(wěn)定中等電流負載的輸出電壓。當(dāng)主電壓故障時,晶體管不再傳導(dǎo)電流。因此,負載由電池供電。在這種配置中,齊納二極管的選擇非常微妙和關(guān)鍵。

圖 4:帶有分立低功耗元件的簡單 UPS 的通用圖

圖 5 顯示了與最重要節(jié)點相關(guān)的圖表。我們可以從頂部開始觀察到以下軌跡:

· 第一張圖顯示了網(wǎng)絡(luò)中電流流動的邏輯趨勢。它在模擬的前 3 秒內(nèi)存在,然后停電 1 秒,然后電能恢復(fù) 3 秒并消失 1 秒,依此類推。

· 第二張圖顯示交流電源電壓為 230 V(RMS)。停電期間,電壓為 0。

· 第三張圖顯示了正常運行和斷電期間負載兩端的電壓。如您所見,斷電期間電壓略有下降,約為 0.5 V。

· 第四張也是最后一張圖顯示了流過電池和二極管 D6 的電流。在正常運行期間,在有電源電壓的情況下,電池消耗為零,而是通過電阻器 R3 稍微充電。

圖 5:與建議的 UPS 的最重要節(jié)點相關(guān)的圖表

結(jié)論

毫無疑問,UPS 是一項重要的投資,可以保護敏感電子設(shè)備,尤其是其中存儲的任何數(shù)據(jù)和信息。在選擇購買 UPS 時,重要的是要考慮幾個技術(shù)和操作因素,以確保它完全適合您的需求。對電力的日益依賴往往需要替代和應(yīng)急電源系統(tǒng)。要評估的一個重要因素是對環(huán)境的尊重。事實上,目前 UPS 不能用發(fā)動機發(fā)電機和柴油來制造。最新技術(shù)也在評估使用超級電容器作為能源的解決方案,當(dāng)主電網(wǎng)發(fā)生電力中斷時,這可以確保更好的結(jié)果。


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