UPS內部不同的拓撲結構分析和評估

    可靠性、功能性、可維護性和容錯性被譽為USP供電系統的“高可用性”系統的四個必須要素，而UPS內部拓撲結構對系統的可靠性和功能性起著決定作用。可用性的關鍵要素，尤其是可維護行和容錯性，很大程度上取決于UPS冗余和配電系統選擇，本文對UPS內部不同的拓撲結構進行分析和評估，說明個結構如何對“高可用性”電源系統的四個要素產生影響的。

    一、UPS拓撲結構：離線式UPS或后備式電源(SPS)

    離線式拓撲結構是最簡單的一種UPS結構，如圖1所示。正常運行情況下，交流市電直接流經UPS直至重要負載。充電器或“4象限變流器”將交流 電轉換為直流電向電池充電。逆變器用于將電池提供的直流電轉換成交流電，當市電故障時為負載供電。逆變器通常運行于待機模式，保持對電池充電。如果市電超 過規定范圍，逆變器通過電池向負載供電。該拓撲結構被稱為“單變換”，因為在任何時候，電源只能轉換一次(交流轉換為直流或直流轉換為交流)。正常運行情 況下，少量交流電轉換為直流電，保持對電池供電。輸入市電電超出規定范圍時，UPS檢測到電源故障，切換繼電器動作，輸出逆變器啟動逆變器將電池提供的直 流電轉換成交流電，向負載供電。

    離線式UPS價格非常低廉，僅適合于家用或為向只需要實施斷電保護應用的單臺計算機工作站供電的情形。有時離線式產品內置浪涌抑制和/或“降壓和升壓”電路，補償較高或較低的輸入電壓，但不嘗試提供任何有效的輸入電源調節。

    離線式UPS在設計簡單性方面得分較高，而在其它測量方面則稍有欠缺。離線式UPS一般應用于單相非重要負載。尤其是不兼容發電機等不足，使其不適用于三相應用。

    二、UPS拓撲結構：互動式UPS

    互動式UPS拓撲結構，如圖2所示。該結構與離線式UPS產品類似，不同之處是在市電電源和負載之間按照串聯的結構加入變壓器了或電感器。該電 感器使UPS逆變器可以與輸入電源“交互”，并對連接至負載的輸出電源進行調節。也就是說在輸入電壓較高和較低狀況下，“降壓和升壓”電路能夠進行相應的 調節。

    四象限變換器一般為恒壓設備。負載或輸入電壓變化時，四象限變換器通過調整輸出相位角，作出相應的改變。負載頻繁的發生變化，將導致電池放電，電池的頻繁放電將大大縮短其使用壽命。

    互動式UPS產品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現隔離。頻率出現微擾和電源質量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。

    互動式UPS產品的另一個不足之處在于，如果不采用電池供電，將無法完全使重要負載與輸入電源間實現隔離。頻率出現微擾和電源質量較差，將直接影響到重要負載。若不實施電氣隔離，共模噪聲也將直接影響到負載的正常工作。

    與離線式UPS相同，互動式UPS產品價格可能較低，而效率高，原因是，它僅在輸入電源異常時向重要負載供電，且僅在電池工作期間運作。與離線 式UPS相比，互動式UPS設備由于其串聯電感器以及電源調節功能，在效率方面有所損耗。另外，當UPS轉換為電池供電時，通常至少會出現一點(但可測) 電壓跌落。

    發電機兼容性

    離線式UPS和互動式UPS產品需要輸入電源的頻率和相位非常穩定。電源頻率必須穩定，是因為逆變器必須跟蹤電源頻率，以校準電壓和電流，這樣系統輸出頻率才能與輸入頻率相同，除非UPS通過電池運行。

    比較典型的運行問題是當啟動發電機上的其它負載時，發電機的輸出頻率將發生很大變化，從而導致離線式UPS或互動式UPS通過電池放電。該問題 在天然氣發電機組上尤為明顯。電池反復充放電，很可能導致電池的過放電，將大大縮短電池壽命。另一個潛在問題是UPS負載加載時，發電機輸出會不穩定，也 就是說UPS負載的突加，會導致發電機電壓和頻率跌落，從而導致UPS進入電池放電的運行狀態。當發電機輸出穩定后，UPS恢復到正常狀態，如果發電機輸 出電壓再次下降時，UPS將再次進入電池放電狀態。

    對于雙變換UPS則不會出現上述問題。雙變換UPS調整輸入電源，而且可以容許電源頻率出現較大變化，同時繼續提供穩定的輸出頻率，而無需使用 電池供電。而且，雙變換UPS主要制造商已經開發出減少輸出電流畸變的技術，極大地提高UPS與發電機的兼容性，使負載規格選擇更為準確。雙變換UPS容 量與發電機的容量配比可以達到1.25~1.5：1，不會發生運行問題。

    三、UPS拓撲結構：具有功率因數校正功能的在線性互動式結構(包括“Delta變換式”產品)

    近年來，有幾家公司推出了具有功率因數校正功能的在線互動式三相UPS產品。與離線式產品和一般的互動式產品相比，這些產品改善了電源的調控性 能，提高了輸出的電源質量。但同時也產生了一些不利因素，如有源功率調節會使效率降低。實際上，在帶非線性負載(一般為計算機負載)時，其效率一般都低于 雙變換UPS產品。并且這種產品結構的復雜性相對于雙變換UPS而言往往是有過之而無不及。及為容易誤導用戶的是，該種類型的在線互動式產品甚至被標榜為 “在線式”產品，因為其逆變器始終“運行”，提供電壓調節或輸入功率因數校正。■