1.多種機型UPS的同時存在是當前過渡時期的狀況
眾所周知，前些年UPS中的整流器多采用晶閘管相位控制的工頻工作方式，當前稱此種類型為‘工頻機型UPS’。近十年來，由于半導體器件IGBT技術的發展，為整流器采用高頻工作方式提供了技術條件。因為UPS的逆變器在10年前已經是高頻SPWM工作方式，近年將整流器也改進成高頻工作方式，則稱此種UPS為‘高頻機型UPS’。兩種機型的同時存在，各有市場份額，這要根據用戶的需求來決定，筆者多次參加評標會，有的招標單位點名要工頻機型UPS，這就是‘過渡期’的狀態。”
同理，當前還有模塊化UPS(多為高頻機型)和直流輸出UPS、飛輪動態型UPS和柴油機動態型UPS等種類，各有其用戶群體。許多作者或專家在推薦某種機型UPS時，僅僅敘述其優點，不談其缺點(存在問題)和適用場合，是不全面的。應當對UPS用戶給予正確地引導。中國電源學會會刊《電源資訊》在今年第6期首篇文章《政策綜述及產業動態》中敘及“UPS電源行業存在著一些錯誤的觀念和誤導”，指出了這一問題。本文擬比較客觀地闡述各種機型的結構、特點、存在問題及適用場合，僅供用戶參考。
2.交流輸出型UPS
交流輸出型UPS(簡稱AC-UPS)，在中大功率范圍，多采用雙變換型結構，包含工頻機型和高頻機型兩類(高頻機型還包括模塊化UPS)。
2.1 工頻機型UPS
(1)結構
眾所周知，工頻機型UPS是指采用晶閘管多相相位控制整流-IGBT高頻逆變結構，晶閘管整流器多采用12脈波整流方式，必要時再加11次濾波器。而逆變器采用IGBT三相SPWM高頻逆變電路形式，有輸出變壓器，以獲取輸出電壓額定值(380V/220V)，常用電路如圖1所示。
(2)特點
①由于這種機型的生產和應用時間最長，因而其技術成熟度很高，系統可靠性好；
②由于采用晶閘管作為整流器件，對市電電壓波動的耐受力較強；
③輸出側配置隔離變壓器，負載與市電電源的隔離功能較好，輸出端零地電壓接近零，可靠地保證負載正常運行；
④由于輸出隔離變壓器自身短路阻抗的作用，使其具有很好的抗負載沖擊能力，降低在負載突變時對UPS的影響；
⑤即使在UPS故障時，也不存在向負載輸出直流電壓的風險，負載運行更加安全可靠。
(3)存在問題
①由于采用晶閘管工頻整流，造成電氣性能方面的落后，諸如輸入功率因數較低、輸入電流諧波成分較高等。
②由于采用相控整流工作方式及必須配置輸出變壓器等原因造成功率密度較小、體積重量指標較差、整機效率較低等問題。
(4)適用場合
工頻機型UPS，前些年在通信、金融、石油、電力及交通等行業大量采用，近幾年高頻機型UPS的推廣應用，使工頻機型UPS的市場份額縮小。但對于某些用戶，對技術成熟度、可靠性、市電和負載隔離效果等要求很高，而對于體積、重量及效率等指標要求較低時，還有許多單位選用工頻機型UPS。在目前“過渡期”內還不能說工頻機型UPS已被用戶淘汰。
2.2 高頻機型UPS
(1)結構
由于近10年來，隨著功率半導體器件(尤其是IGBT)性能和電力電子技術的進步，為UPS的整流器采用IGBT高頻工作方式并為去掉輸出隔離變壓器創造了物質條件，使其在高頻化、小型化和節能化等方面，取得了長足的進展，這就是當前常說的高頻機型UPS。
實際上，高頻整流器有兩種電路結構，其一是IGBT降壓型高頻SPWM整流電路，輸出直流電壓約為400V，逆變器的輸出側采用變壓器升壓，以便使UPS輸出的交流電壓達到額定值(380V/220V)。這種機型目前在國內外有少量生產，供給特殊用戶選用。其二是IGBT升壓型高頻SPWM整流電路，輸出直流電壓約為800V(以電容分壓獲得±400V)，由于此整流電壓較高，使UPS輸出的交流電壓可以達到額定值的要求，所以逆變器就不需要輸出變壓器了(但必須在輸出側有串聯電感)。人們一般所稱的高頻機型UPS就是指這種高壓整流-無輸出變壓器型式，其主電路如圖2所示。
(2)特點
與工頻機型UPS相比具有明顯的優勢：
①功率密度高、體積小、重量輕、節省占用的空間；
②輸入功率因數較高(達到0.99)，輸入電流失真度較低(小于5%)，為節能創造了技術條件；
③整機效率高。因為沒有了輸出變壓器損耗，整流電壓提高了，可以減少電路工作損耗，一般認為可以提高2.5%以上(應當指出:整流器的高頻化，其開關損耗也增加了，所以其變換頻率不宜太高，目前約15kHz，算是中頻范圍，從而限制了開關損耗)；
④成本低。因為沒有了輸出變壓器、12脈波移相變壓器，也不必采用11次濾波器等設備；
⑤改進了電性能指標。譬如輸入電壓范圍寬了(可達±25%)，帶負載能力強了(適應三相不平衡負載，動態性能較好)；
⑥易于實現模塊化，更便于多機并聯工作方式，有利于隨時擴充。
(3)人們曾經擔心的問題
由于高頻機型UPS的發展時間比工頻機型UPS短一些，電路結構的優化有個技術成熟過程，人們主要對高頻機型UPS的工作可靠性存在一些顧慮，但是目前已經解決。
①技術已完全成熟
高頻機型UPS的IGBT整流(含PFC)技術和半橋式逆變電路，這兩個技術用于無變壓器UPS中是近10年左右的事情，但這兩項技術本身的產生由來已久，近幾年在UPS中應用已非常廣泛，其技術是成熟的。
②逆變功率管的耐壓已達到技術要求
由于高頻機型UPS的整流輸出電壓為800V，從而要求逆變電路中的功率管(IGBT)的耐壓要大于800V(工頻機型UPS逆變功率管一般為400V)。但是，目前IGBT生產廠家制作出耐壓大于800V甚至1200V器件的技術已經成熟，完全達到高頻機型UPS逆變器的要求。
③在UPS故障時向負載輸出較高直流電壓的問題已經解決
由于UPS線路故障時發生逆變功率管IGBT直通(或短路)時，直流母線電壓會直接輸出到負載端，當前在UPS中已配備了保護電路，在發生上述故障時，UPS會自動轉換到旁路以確保安全。
④輸出端的“零地電壓”不會影響負載正常工作
由于高頻機型UPS沒有輸出隔離變壓器，其高次諧波電流會在UPS的輸出端形成較高的“零地電壓”，有時會達到幾十伏。實踐證明，在運行時，因為服務器中的開關電源有高頻變壓器可以起到隔離作用，零地電壓不會竄到負載數字電路中，所以對服務器的正常工作不會產生影響。
(4)適用場合
可以說，凡是工頻機型UPS能使用的場合都可以采用高頻機型UPS，尤其是對于體積、重量、效率、輸入功率因數、輸入交流電壓范圍等指標要求較高的場合都是適用的。這些優勢對于現代數據中心來說，高頻機型UPS成為其優選機型。當前，用高頻機型UPS構成的模塊化UPS，便于冗余并聯，顯著提高其工作可靠性，現已有專門標準，更具有推廣應用價值。
3.直流輸出型UPS
直流輸出型UPS(簡稱DC-UPS)，這一創意的提出是由電源技術發展而形成的，目前處于推廣應用階段。
(1)結構
AC-UPS的備用能源(蓄電池)配置在逆變器的輸入端，當市電中斷時，蓄電池所儲備的能量要經過逆變后才能供給PC機和服務器(以下簡稱IT設備)，實際上IT設備直接需要的是直流電源(3V、5V等)，電源技術工作者早就想到:把AC-UPS中的第一次變換(即整流)的直流輸出端掛上蓄電池，經過DC/DC變換直接送到IT設備上，從而減少了ACUPS的第二次變換(即逆變)，而且IT設備輸入側的開關電源(AC/DC)也可以不用了，實際上早期的48V通信電源就是這個方案，具體如圖3所示，這樣就變得很簡單了。
(2)特點
上述變革：因為甩掉了逆變器，蓄電池可以直接掛在IT設備輸入側，從而獲得一系列優點[4]:減少了逆變器——效率提高了；電路簡化了——可靠性提高了，成本降低了；諧波減少了——性能提高了；市電中斷時，由蓄電池直接向負載供電，能源利用率提高了；還可以列舉出很多優點，怎么不馬上實行呢?
(3)存在問題
計算機開始產業化至今有50年的歷史，在它問世時采用的供電電源是380V/220V，50Hz的交流電源，這種電源存在電能質量不佳，又經常出現中斷等問題。人們采用把它整流成直流再逆變的方式，從而提高供電質量，在逆變器前配置蓄電池解決電源中斷問題，為了進一步提高可靠性又采取在輸入/輸出端加變壓器、輸出冗余并聯、輸入雙總線等技術措施，而整流器由6脈波變成12脈波、24脈波等形式，越弄越復雜。
電源技術工作者也不斷在改進，先把逆變器利用SPWM技術高頻化了，由于半導體技術的發展，用IGBT取代了晶閘管，使整流部分也高頻化了，輸入/輸出變壓器也取消了，但是逆變器還在，為什么呢?就是計算機生產廠家制作的IT設備是按著輸入交流電源來設計的，國際上的標準就是這樣規定的。
若想讓生產計算機的廠家修改設計、同時修改國際標準，這可不是一朝一夕的事情，現在采取兩步走。
第一步：直接往IT設備的開關電源輸入直流電源，因為其開關電源的輸入側多是單相橋式整流，如圖4所示。
對于采用簡單的橋式整流形式，見圖4(a)，整流電壓為300V左右；而采用PFC電路環節，見圖4(b)，其整流電壓為380V左右。
圖4中的橋式整流按設計要求是輸入交流電源，兩對二極管輪流工作，現在輸入直流電源了，只有一對二極管工作，另一對二極管不工作。為了安全起見，我國部分地區采用輸入240V直流電源形式(即UPS的輸出為直流240V，并掛上240V的蓄電池)，這樣IT設備中的濾波電容等部件不用變動(現已形成部頒標準)。
第二步：選擇DC-UPS輸出電壓為300～380V，國際上許多大型企業已開始這樣做。把UPS輸出直流化，對于電源技術來講是很成熟的，不存在困難。關鍵是IT設備廠商能否接受這一變革，包括:
①IT設備開關電源的輸入開關、保險絲、繼電器等交流器件要改成相應的直流器件；
②去掉IT設備中的AC/DC變換環節，只保留DC/DC變換環節；
③驗證這樣變革的可行性、適應性、可靠性、經濟性(成本能否降低)、使用壽命及其節能效果等；
④在此基礎上得到普遍認可，制定出國際標準，使各國的產品具有通用性。
總之，UPS的輸出直流化是數據中心供電系統的重大變革，需要改變觀念、技術研發、方案論證、系統運行及編制標準等過程。從長遠來看，這種機型是UPS技術的發展趨勢，但愿這個變革早日實現。
(4)適用場合
當前，在相當多的通信系統中DC-UPS已經在運行，可靠性很好，逐步向數據中心推廣應用。現在對直流電壓值的等級(240V、300V、380V)還有不同意見，待逐漸改進并取得共識后，將會在各行業普遍采用。
4.動態型UPS
動態型UPS是指以機械旋轉工作方式構成的不間斷電源，一般有兩種型式:飛輪式和柴油機式。
4.1 磁懸浮式飛輪儲能UPS
(1)結構
主要由磁懸浮飛輪和備用柴油發電機組成，飛輪是其核心部件。由飛輪UPS組成的供電系統如圖5所示，飛輪儲能裝置如圖6所示。
圖5中采用雙路10kV/400V變壓器供電，兩臺變壓器互為備用，在雙路電源都失效的情況下由后備柴油發電機在10s內自動起動并且達到穩定輸出。在有市電時，驅動電動機帶動飛輪高速旋轉，把動能儲存起來，在市電中斷至發電機正常供電之間由飛輪的轉動慣量提供動力，在勵磁裝置激勵下發出電能，保持對負載不間斷供電；待發電機起動并穩定運行后，轉由發電機供電。
圖6所示為磁懸浮飛輪結構，其穩態轉速為7700轉/min，采用磁懸浮軸承的目的是消除摩擦損耗，提高驅動效率。為了減小風阻損耗，將飛輪置于高真空環境中運行。飛輪與電動機/發電機同軸相連，通過電力電子轉換裝置實現儲能部件與電網之間的能量交換。
(2)特點
①這種UPS的突出優點就是不用蓄電池做后備儲能電源，從而獲得環保等一系列優點，減少了維修工作量。
②由于不使用蓄電池，減少了體積和重量，而且整機效率也提高了。
③飛輪式UPS對環境的要求較低，在-20℃～40℃之間運行，不需要空調設備。
(3)存在問題
①人們擔心的主要是后備時間問題。以容量為500kVA的飛輪式UPS為例，滿載時的后備時間為15s(半載時為30s)，這就要求柴油發電機必須在10s左右起動并達到穩定電壓及頻率輸出，需要優質發電機相配合。據調查資料得知，柴油發電機可以在10s達到正常運行，可見飛輪式UPS是可以滿足要求的。
②飛輪式UPS對機械加工精度及材料的要求很高，其價格相對昂貴，但因其使用壽命可以達到20年以上，比蓄電池的壽命長了許多，所以整體成本還是比較低的。
(4)適用場合
首先是不宜使用蓄電池的單位，例如軍用系統、半導體芯片制造廠、數據中心等，尤其是對于蓄電池很介意的場所。這種UPS目前主要用于150～1500kVA供電系統中。如果是對15s的后備時間特別在意的話，則應適當考慮。
4.2 柴油機式動態UPS
(1)結構
主要由同步交流發電機、感應耦合器、自由輪離合器及柴油機等部分組成，如圖7所示。
同步交流發電機與市電一起向負載供電，并與電抗器(另接)組成有源濾波器濾除諧波。感應耦合器是儲能裝置，有外轉子和內轉子，外轉子上有一個兩極三相線圈，在有市電情況下，可以加速自由轉動的內轉子的轉速。當市電中斷時，取出在內轉子上儲存的動能，驅動發電機繼續給負載供電，并及時起動柴油機使之達到穩定狀態，向負載提供電能。自由輪離合器在感應耦合器/發電機與柴油機之間起機械通斷作用。在市電正常時，柴油機處于停止狀態，離合器斷開，發電機旋轉；市電中斷時，柴油機起動，當達到額定轉速時，離合器自動接合，由發電機向負載供電。整個轉換時間約為5～10s。當市電恢復時，這種動態UPS會與市電同步，轉由市電向負載供電，離合器斷開，柴油機與感應耦合器不再有機械連接，逐漸停止運轉，回到待機狀態。
(2)特點
從上述結構原理可知，它的儲能裝置既不用蓄電池，也不用飛輪，更沒有靜止型UPS的半導體變換器。具有如下優點：
①可靠性高。雙變換型UPS系統中必須要有蓄電池和逆變器，這兩個環節是AC-UPS產生故障的主要部分，柴油機式動態UPS沒有這兩個環節，顯然大幅度提高了可靠性。
②整機效率高。雙變換型UPS的電能要經過兩次變換，有功率損耗；UPS和蓄電池都需要空調系統，也要消耗能量，而柴油機式動態UPS只需適當通風條件即可，不需要空調系統，顯然其工作效率很高。
③工作壽命長。雙變換型UPS的壽命約為10年左右，柴油機式動態UPS的壽命可達25年。
④環保性能及經濟性能均很好。與飛輪式UPS相同，由于沒有蓄電池了，不存在對環境的污染；體積小了，節省空間；無蓄電池及空調系統，成本也降低了，維護也方便了。
(3)存在問題
對于飛輪式UPS，人們主要擔心的是后備時間問題，對于柴油機式動態UPS，因為其儲能裝置(感應耦合器)與發電機和柴油機是一體化結構，容易滿足要求。
機械加工的精度要求仍然比較高，但其難度比懸浮式高真空飛輪要好一些，從而其工作壽命及價格情況具有一定優勢。
(4)適用場合
目前這種UPS主要用于250～2500kVA供電系統中。對于不宜使用蓄電池的軍用系統、現代數據中心等是非常適合的。
總之，從節能和環保這些基本國策而言，靜態型UPS存在著明顯的缺陷，這為飛輪式和柴油機式兩種動態型UPS提供了良機，吸引了人們的眼球，在UPS市場上占有一席之地，具有較好地應用前景。
5.結束語
(1)在上世紀初期發明了以飛輪慣性為儲能手段的動態型UPS，后來出現以半導體器件(晶閘管)為基礎、以蓄電池為儲能裝置、以逆變器為核心的靜止型UPS，現在飛輪型UPS經過改進又回來了，它的突出優點就是不用蓄電池，有利于環保。
(2)高頻機型(含模塊化)UPS是AC-UPS發展到較高階段，具有技術先進及節能環保等多種優勢，成為當前UPS應用的主流。
(3)逆變器是使AC-UPS工作可靠性不高的主要環節，電源技術工作者想辦法取消逆變器，把蓄電池直接掛在IT設備的輸入端，從而研發出DCUPS，實際上它就是一個高頻整流器(兼充電器)+蓄電池+DC/DC變換器，輸出直流3V、5V等電源直接送入IT設備，這樣就更簡單了。
(4)工頻機型UPS由于存在諸多缺點，市場份額逐漸縮小，可以預見不久的將來，終將被高頻機型UPS和直流輸出型UPS所取代。
(5)利用飛輪式和柴油機式動態型UPS力圖甩掉蓄電池，但又帶來了復雜的機械問題及燃油問題。
由上述可見，科學技術的發展，就是由簡單到復雜再到簡單的過程，現在是多種機型同時存在，這是一種“過渡期”，與“社會多元化”的道理是相同的，而那種落后機型自然就會消亡，現在去市場購買照相機，誰還買膠卷式相機呢。但愿我國電源技術工作者共同努力，使這個過渡期短一些，新技術推廣得快一些。
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本文標題：對多種機型UPS同時存在狀態的綜合評述
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