1.3.2 UPS不间断电源
不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）由储能装置（电池组）、逆变器和控制电路组成，一端连接市电电网，另一端连接用电负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电；电网出现异常时，不间断电源将存储于电池中的电能通过逆变器转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高和电压太低都提供保护。图1-8是UPS构成原理图。
UPS不间断电源现已广泛应用于矿山、航天、工业、通信、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备等领域。
1.UPS的分类及工作原理
UPS按工作原理可分为后备式、在线式和在线互动式三类。
图1-8 UPS构成原理图
（1）后备式UPS。有市电时，市电通过旁路开关后直接供给负载，逆变器不工作；另外，市电通过充电器给电池充电。市电停电后，电池储存的能量通过逆变器为负载供电。功率等级为0.25～2kV·A。后备式UPS也被称为离线式（Off Line）UPS，如图1-9所示。
图1-9 后备式UPS的功能和特点
后备式UPS存在约10ms的开关切换时间，而计算机本身的电源供应器在断电时应可维持10ms左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。
后备式UPS具备自动稳压、断电保护等最基础也是最重要的功能，逆变输出的交流电是方波而非正弦波，但由于结构简单、价格便宜、可靠性高等优点，主要应用于微型计算机、外设、POS机等领域，使用户有时间备份数据，并尽快结束手头工作。
（2）在线式（On Line）UPS。电网电压正常时，通过整流器和逆变器给负载供电（如图1-10中实线箭头所示），同时给储能电池充电（如图1-10中虚线箭头所示）；突发停电时，储能电池通过逆变器给负载供电。这种UPS的逆变器一直处于工作状态，因此不存在切换时间问题。
在线式UPS在市电供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰，在停电时则由直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。
只有当UPS发生故障、过载或过热时才会转为由旁路交流输入给负载供电，如图1-10所示。
图1-10 在线式UPS
在线式UPS的一大优点是供电的持续时间长，一般为几个小时，也有达到十几个小时的，可以让用户在停电的情况下像平常一样工作。
在线式UPS适用于交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业的服务器及其配套设备，因为这些领域的计算机一般不允许出现停电现象。
（3）在线互动式UPS。这是一种智能化的UPS，所谓在线互动式，是指在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态（即整流工作状态）给电池组充电；在市电异常时，逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此，在线互动式UPS也有不大于4ms的转换时间。功率等级0.7～1500kV·A左右。
在线互动式UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，具有滤波功能，抗干扰能力强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波；具有较强的软件功能，可以通过数据接口进行数据通信，实施UPS远程控制和智能化管理。管理员可以对电源质量、UPS工作温度、线路频率、UPS输出电压、最大和最小线路功率、电池功率强度、线路电压和UPS负荷等进行管理，广泛用于服务器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区。
2.UPS的配置
UPS的实际负载能力约等于其标称值的70%左右。如果负载需要较大启动电流时，应按启动电流计算。UPS系统输出功率的大小取决于整流器、逆变器和蓄电池的功率容量。
UPS的输出波形有方波和正弦波两类。方波输出逆变器的转换效率高，常用于后备式UPS。正弦波输出逆变器的转换效率较低，但电源引起的干扰小，应用更普遍。
首先应了解要挂接在UPS上的设备的电源要求，并把所有设备的用电量加起来，然后，再去选择一个处理能力与之相匹配的UPS。
对服务器装置而言，可能包括CPU及其附加的设备、监视器、外部路由器、集中器单元和布线中心等，这些设备的背面标牌可以提供它们的电源要求和使用功率。
一般来讲普通PC或工控机的功率在200W左右，苹果机在300W左右，服务器在300～600W之间，其他设备的功率数值可以参考该设备的说明书。
（1）UPS的功率应根据负载功率和延时两个方面来决定。UPS的额定输出功率有两种表示方法：视在功率S（单位V·A）与实际输出功率P（单位W），由于无功功率Q的存在造成了这种差别，两者的换算关系为：视在功率S×功率因数cosφ=实际输出功率P（有功功率）,后备式、在线互动式的功率因数cosφ在0.5～0.7之间，在线式的功率因数一般是0.8。
1）UPS系统蓄电池的额定容量计算方法。假设：逆变器采用24V蓄电池组供电，UPS的负载功率为3kV·A，转换效率为75%，应急供电持续时间为30min，逆变器的实际负载能力按标称额定负载能力的70%计算。
那么在满负载情况下逆变器需输入的直流电流为：I=3kV·A×1.3（逆变器的实际负载能力）/0.75（逆变器的转换效率）=5200V·A。24V电池组的额定供电电流I=5200V·A/24V=217A。
满足连续0.5h的供电时间的蓄电池功率容量为217A×0.5h=110Ah。应选用大于计算值的标准电池组：GFM-150Ah/24V。
2）延时是指市电中断后，UPS能供电多久的问题。
在既定的负载量和UPS功率的情况下，延时多久，取决于供电电池的容量，延时越长，要求电池的容量越大，这也意味着投入资金加大。以3000V·A的负载为例，采用100Ah/12V电池，16节串联为192V电池组，负载供电电流：3000V·A÷192V=15.625A；100Ah÷15.625A=6.4h，可以供电6小时24分钟。
（2）蓄电池组的电气特性。
蓄电池是UPS的重要组成部分，占有很大的价值比重，其质量的好坏直接关系到UPS的正常使用，所以应慎重选择有质量保证的正牌蓄电池。
UPS一般都用全密封的免维护铅酸蓄电池作为储能装置，这类蓄电池在充放电时不逸出气体，不会漏液，不需补充电液，使用方便。电池容量的大小由“安时数（Ah）”指标反映，含义是按规定的电流（A）进行放电的时间（小时，h）。
后备式UPS一般内置4Ah或7Ah的电池，其备用时间是固定的；在线式与在线互动式UPS有内置7Ah电池的标准机型，也有外配大容量电池的长效机型，用户可以根据需要实现的备用时间而确定配备多大容量的电池。
单体（单节）蓄电池的标称额定电压为2V。额定容量的单位为安培小时（Ah）。
密封铅酸蓄电池的命名方法为：G F M—×××Ah。其中字母G代表固定安装型；F代表阀控型；M代表密封型；×××Ah代表额定安时容量。
①单体蓄电池通过串联组成的电池组可提高输出电压，蓄电池常用电压规格有2V（单体电池）、12V、24V、48V等。
②单体蓄电池通过并联组成的电池组可增大安时（Ah）容量。常用规格有：
2V系列：100Ah、200Ah、300Ah、400Ah等。
12V系列：4Ah、7Ah、12Ah、17Ah、24Ah、48Ah、65Ah、80Ah、100Ah、150Ah、200Ah等。
24V系列：50Ah、75Ah、100Ah、200Ah等。
蓄电池浮充工作模式是指在市电正常时，蓄电池与整流器并联运行。蓄电池自放电引起的容量损失在浮充过程中被补足，2V单体蓄电池的正常浮充电压为2.23V。当市电中断时，由蓄电池单独向负载（UPS逆变器）放电。
1）蓄电池的放电特性：蓄电池的放电容量会随放电电流的增大而减小。
例如：GFM—4Ah，4Ah/2V单体蓄电池在25℃时的容量-放电特性如下：
5min放电率：放电电流为16.2A，终止电压为1.60V/单体，容量为1.40Ah。
15min放电率：放电电流为7.2A，终止电压为1.60V/单体，容量为1.9Ah。
30min放电率：放电电流为4.7A，终止电压为1.60V/单体，容量为2.36Ah。
1h放电率：放电电流为2.7A，终止电压为1.70V/单体，容量为3.4Ah。
4h放电率：放电电流为0.93A，终止电压为1.70V/单体，容量为4.3Ah。
5h放电率：放电电流为0.81A，终止电压为1.70V/单体，容量为4.32Ah。
8h放电率：放电电流为0.54A，终止电压为1.75V/单体，容量为4.4Ah。
10h放电率：放电电流为0.45A，终止电压为1.75V/单体，容量为4.5Ah。
20h放电率：放电电流为0.25A，终止电压为1.80V/单体，容量为4.8Ah。
2）温度对蓄电池容量的影响：
低于25℃时，蓄电池的容量减小。
104°F（40℃）：102%。
77°F（25℃）：100%。
32°F（0℃）：85%。
5°F（-15℃）：65%。
（3）蓄电池的使用与维护
1）目前UPS所用的蓄电池一般都是免维护的密封铅酸蓄电池，设计寿命普遍是3年，这在电池生产厂家要求的环境下才能达到。达不到规定的环境要求，其寿命的长短就有很大的差异。影响蓄电池寿命的重要因素是环境温度，生产厂家要求的最佳环境温度是在20～25℃之间。虽然温度的升高对电池放电能力有所提高，但付出的代价却是电池的寿命大大缩短。据试验测定，环境温度一旦超过25℃，每升高10℃，电池的寿命就要缩短一半。
2）定期充电放电。UPS因长期与市电相连，在很少发生市电停电的使用环境中，蓄电池会长期处于浮充电状态，日久就会导致电池化学能与电能相互转化的活性降低，加速老化而缩短使用寿命。因此，一般每隔2～3个月应完全放电一次，放电时间可根据蓄电池的容量和负载大小确定。一次全负荷放电完毕后，按规定再充电8h以上。UPS放电后应及时充电，避免电池因过度自放电而损坏。
3）UPS的输出负载控制在60%左右为最佳，可靠性最高。
4）UPS带载过轻（如1000V·A的UPS带100V·A负载）有可能造成电池的深度放电，会降低电池的使用寿命，应尽量避免。
5）及时更换废/坏电池。目前大中型UPS电源配备的蓄电池数量，从3个到80个不等，甚至更多。在UPS连续不断的运行使用中，因性能和质量上的差别，个别电池性能下降、储电容量达不到要求而损坏是难免的。当电池组中某个/些电池出现损坏时，维护人员应当对每个电池进行检查测试，排除损坏的电池。更换新的电池时，应该力求购买同厂家同型号的电池，禁止不同规格的电池混合使用。
3.“集中式”UPS与“分散式”UPS的区别
如果需要配备UPS的设备较多，可以采用“集中式”或“分散式”两种配备方式；所谓“集中式”，就是用一台较大功率的UPS负载所有设备，如果设备之间距离较远，还需要单独铺设电线，大型数据中心、控制中心常采用这种方式，虽然便于管理，但成本较高。
“分散式”配备方式是现在比较流行的一种配备方式，就是根据设备的需要分别配备适合的UPS，譬如对一个局域网的电源保护，可以采取给服务器配备在线式UPS、各个节点分别配备后备式UPS的方案，这样配备的成本较低并且可靠性高。
集中供电方式：便于管理，布线要求高，可靠性低，成本高；分散供电方式：不便管理，布线要求低，可靠性高，成本低。
UPS作为保护性的电源设备，它的性能参数具有重要意义，是选购时的考虑重点：①市电电压的输入范围要宽，则表明对市电的利用能力强；②输出电压、频率要稳定，输出电压稳定度说明当UPS突然由零负载加到满负载时，输出电压的稳定性；③UPS的转换效率、功率因数、转换时间等都是表征UPS性能的重要参数；④对负载的保护能力。