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UPS的技术要求与发展趋势
摘要：对我国UPS市场的现况、UPS的技术要求与发展的趋势进行了论述。
Specification and Development Tendency of UPS
Abstract:The market of UPS in our country as well as specification and development tendency of UPS are discussed.
Keywords:UPS Power factor Redundance Digitalization Intelligence
1引言
研究表明，每台PC机平均每月受到雷击、浪涌、低压、噪音或断电等电源问题的侵害多达120次，如果不能及时地解决这些问题，系统中的宝贵数据（或程序）将有丢失的危险。对于军事装备的指挥系统，电网的不正常所造成的影响将更加严重。由于计算机、程控交换机、数据通讯处理系统、航空管理和医用诊断系统等精密仪器对交流供电系统都提出了不间断和可靠性的要求，使UPS在技术成熟程度、产品质量和销售量等方面都有了长足的发展。
产品本身的质量和技术性能只是产品的一个方面，如果没有相应的服务，其工作就不是完整的，随着UPS在中国市场的普及，UPS的服务与支持系统也不断完善和发展，高可靠性的UPS系统加上完善的售后服务体系，将是满足广大UPS用户的根本保证。
我国对UPS的需求量将大于西方，原因是：
（1）计算机的普及和大量应用。
（2）市电质量比西方国家差，电网供电不足、电压波动大、干扰严重是长时期的问题。
（3）现代化的进展，CAD/CAM系统的应用已提到议事日程上来，对UPS的需求将与日俱增。
当前我国UPS市场，尤其是中大功率UPS产品，主要被国外的一些UPS生产厂家所占领，其中包括美国APC公司、瑞士INVERTOMATIC公司、美国EXIDE公司、美国SANTAK公司、法国MERLINGERIN公司、日本MITSUBISHI公司、德国SIEMENS公司等品牌。而主要用于美国国防军工部门的美国ELGAR公司、美国ETI公司生产的用于军工防御领域的UPS还未进入我国市场。
2UPS的供电环境与对输入输出指标的要求
2.1与市电有关的技术指标
UPS必须能在当地市电条件下正常运行，并且不对市电产生不良影响。这方面的性能指标包括：
（1）允许市电电压的变化范围；
（2）允许市电电压波形失真度；
（3）允许市电的不平衡度（三相）；
（4）允许市电频率变化范围；
（5）UPS输入功率因数；
（6）UPS输入电流的谐波成份。
上述的（1）、（2）、（3）、（4）项是要求UPS能适应市电的情况，（5）、（6）项则表示UPS对市电影响的程度。
2.2满足负载要求的UPS常规输出指标
UPS要满足负载要求，改善供电质量，这些指标包括：
(1)输出电压稳定精度；
(2)输出电压波形失真度；
(3)输出电压不平衡度；
(4)输出电压频率稳定度；
(5)市电掉电时的转换时间；
(6)市电掉电后继续供电的维持时间；
(7)抗干扰配置及抗干扰功能。
2.3UPS输出能力及可靠性
对于使用者来说，要求UPS具有足够的输出能力及可靠性，否则就会影响负载的运行，甚至构成新的故障源。输出能力指标既是负载的要求，也直接反映UPS的可靠性，实际上是可靠性的量化，这些指标包括：
（1）运行效率；
（2）输出电流峰值系数（周期性峰值负载）；
（3）输出电流浪涌系数（非周期性峰值负载）；
（4）输出过载能力；
（5）输出功率因数；
（6）冷起动能力；
（7）平均无故障时间（MTBF）。
2.4智能管理及通信功能
（1）自动检测、显示、报警以及运行参数的设置功能；
（2）本地智能管理接口（串口RS232或者继电器触点接口）；
（3）网络管理，专用电源监控软件，支持SNMP网管理，可支持的管理平台及相应的认证；
（4）网络通讯，支持基于TCP/IP之上的网络信息传送；
（5）基于公用网通讯，支持基于公用电话网的信息传送。
2.5对自然环境的适应能力
（1）工业品UPS对自然环境的适应能力有五项指标：环境温度、环境湿度、振动冲击、海拔高度及抗雷击的能力；
（2）军用品UPS除以上指标外还要具有：防霉菌、防水、防腐蚀、防盐雾、防辐射等功能。
3UPS的发展趋势
3.1优越的功率因数指标
UPS有两个功率因数：输入功率因数和输出功率因数，输入功率因数表示UPS对市电有功功率吸收的能力及对市电影响的程度，输出功率因数表示UPS适应负载性质的能力。
（1）UPS输入功率因数
输入功率因数是一个重要指标。提高此项指标不仅可以降低线路损耗，节约电能，消除火灾隐患，还可以减少对市电的谐波污染，提高市电的供电质量，获得较大的经济效益及社会效益。传统提高输入功率因数的方法为无源功率因数校正技术，而现在发展为：单相市电输入的UPS采用有源功率因数校正技术，三相市电输入的UPS采用SPWM高频整流来提高UPS输入功率因数。最理想的输入功率因数是1，表明输入电压和电流均为正弦波时其相位完全相同。
（2）UPS输出功率因数
输出功率因数是适应不同性质负载的能力。就是说小功率因数包含有大功率因数的特点，而大功率因数就办不了小功率因数的事。最理想的输出功率因数是超前0.0～滞后0.0,这时说明它可以带任何性质的负载。
3.2高可靠性的“冗余式”UPS供电系统
对于某些重要的用户而言，他们要求UPS供电系统的故障率非常低，最好其故障率为零。例如：银行的结算中心，航空管理系统，大规模集成电路流水生产线等。就目前的UPS制造技术和工艺水平而言，已可使UPS的故障率大大降低。例如：中、小型UPS平均无故障工作时间（MTBF）已做到5～14万小时，对大型UPS而言，它的MTBF可达24万小时以上。然而，即使对于这样高质量的系统，也不能确保它的故障率为零。在UPS中可采用具有容错功能的冗余配置方案来解决这个问题。所谓“容错”特性，是指在整个UPS供电系统中，如果因故造成个别机器出故障时，该UPS供电系统自动将有故障的机器“脱机”进行检修的同时，整个UPS供电系统必须继续向用户提供22高质量电源。由于在冗余式UPS供电系统中，采用了多台UPS组合起来共同承担向负载供电的任务，因此如何正确地解决好多台UPS输出的交流电源以同频率、同相位和同幅度的方式运行是能否成功地实现多台UPS冗余供电的关键。就目前所掌握的资料来看，有如下几种冗余配置方案可供用户选择：
（1）主机－从机型的“热备份”UPS供电方式；
（2）直接并联供电方式；
（3）双总线冗余供电方式。
3.3全数字化UPS
传统UPS存在的问题：
（1）输入输出变压器尺寸大；
(2)用于消除高次谐波的输出滤波器尺寸大；
(4)对市电和负载变化的动态响应性能较差。
功率MOSFET及IGBT的问世为UPS开拓出一条光辉灿烂之路，使UPS技术步入崭新的时代——全数字化时代。
首先,UPS的输入部分取消了用于与市电隔离的工频变压器或为降压用的自耦变压器,而采用SPWM技术实现整流高频化（AC/DC）。一方面减少直流侧滤波器尺寸，改善直流侧调节性能,提高市电电压允许变化范围；另一方面在控制技术中采用数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）控制，使输入电流正弦化，并与市电电压同相，从而实现UPS高输入功率因数（PF≈1），消除对市电的谐波“污染”，达到环保目的，大幅度减少无功损耗，明显降低了运行成本。
其次，取消了UPS逆变器中的工频变压器，用高频变压器来实现UPS与市电的隔离，而UPS的输出级采用SPWM变换方式(不用变压器直接逆变)输出工频电压。逆变器中的功率MOSFET或IGBT工作频率在20kHz以上，因此输出滤波器小而简单，而且输出的正弦波非常光滑。
对于UPS内部的蓄电池组采取高频变换降压方式（DC/DC）充电，当市电停电，UPS转换为由蓄电池给逆变器供电时亦采取高频变换降压方式（DC/DC）实现。
在逆变器控制电路中采用正弦波直接反馈技术，使其调节高速化，远远优于传统式模拟反馈技术，再加上小的输出滤波器和20kHz以上的SPWM调制，使UPS动态响应特性非常好。在逆变器保护电路中采用性能优良的过流保护技术，使逆变器不仅具有较强的过载能力，允许100％负载不平衡（指三相逆变器），而且具有强有力的自身保护。也正是在上述条件保证下，抛弃了传统式逆变器输出变压器，不仅噪音低而且效率高。
全数字化UPS是新一代UPS，它除具有高质量、高可靠、高指标、多功能等特点外，还符合当今节能、环保的要求，因此它是一种不仅能满足今日需要，而且可以适应未来发展需要的UPS。
3.4智能化UPS
在计算机网络及通信事业迅猛发展的推动下，当今的UPS已在大量引进微处理监控技术的基础上发展成为一种智能化UPS。所谓“智能化UPS”是指能在UPS和计算机网络之间建立起双向通信调控管理功能。它所主要完成的控制功能有：
在UPS的运行中，当出现长时间的市电供电故障或停电时，随着市电故障的时间延长，UPS会利用上述通信通道向由它供电的计算机网络传送“因市电出故障UPS正由电池组供电”、“电池电压偏低”等报警信号。当电池组的端电压下降到临界放电电压时，计算机网络会从UPS发出的“自动关闭操作系统”命令的驱动下，在自动完成将程序和数据转入磁盘操作之后，再自动“关闭操作系统”。这样有序的关机操作，将确保用户的软件和数据的安全可靠。
用户可在计算机网络的各个结点上实时监控UPS的运行。利用这种控制功能用户可在计算机网络终端上实时监控UPS的运行参数（例如：输入、输出的电压、电流和频率，UPS电池组的充电、放电和电压值显示，UPS的输出功率及有关的故障、报警信息）。此外，用户还可在计算机网络终端上对UPS的输出执行定时的自动开机、自动关机操作。
为实现上述控制功能，在目前市售的先进的UPS上可向用户提供RS232，DB9、RS485通信接口。对于要求能执行计算机网控管理功能的UPS来说，还应配置简单网络管理协议（SNMP即SingleNetworkManagementProtocol）卡，才能配套运行。
3.5蓄电池发展技术
蓄电池是UPS的心脏，不管UPS系统多么复杂，其性能最终取决于它的电池，只要电池失效，再好的UPS也无法提供后备电源。
目前，UPS一般使用铅酸密封免维护蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有免维护、使用方便、不污染环境、重量轻和体积小等优点。
蓄电池涉及到两个方面的问题：如何监视电池以精确地预测其临界失效期和如何延长电池的有效寿命。解决这两个问题需要UPS厂家和电池制造商的紧密合作。
一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。
国外使用一种先进的蓄电池管理系统（ABM），这种ABM不象目前大多数的UPS系统中的蓄电池连续充电，它只有在需要时才给蓄电池充电，减少蓄电池腐蚀，并延长蓄电池的寿命。测试结果表明ABM可以将蓄电池的寿命延长50％。
ABM在电源运行时检测蓄电池，就不会有因蓄电池故障而引起系统崩溃的危险。同样也能检测出故障，并且提前给出警告，随时记录电池工作状态，给出时间标志。
蓄电池最终会耗尽，如何置换和处理旧电池？大多数制造厂采用带电替换技术，即能在系统不停止工作的情况下拆卸现有的电池组并换上新的电池组。
4结论
电力是宝贵的资源，据美国环保局调查资料表明：个人计算机和外设用去了5％以上的生活用电量，而往往被人们所忽视的是计算机在开机之后，并非一直处于使用状态，不少电能在无形中被白白浪费了。
新一代不间断电源──绿色UPS，除了小型网络智能化以外，还可以节省电能，保护环境。其设计思想是在用户规定的时间内若检测到键盘或鼠标不在进行操作，就将监视器的电源关断，当开始移动鼠标或击键时，监视器马上又可恢复电源。同样，当UPS检测到打印机处于空闲状态时，就关断打印机电源，一旦出现打印机排队请求时，又马上恢复打印机电源。
UPS使用MOSFET及IGBT功率元件，使其走向高频化、小型化、高效率，也延长了蓄电池的寿命；采用冗余技术，进一步增强了UPS的容量和可靠性，而网络智能化UPS技术不仅提供完全可靠的网络电源管理，也为节能提供了一种最佳的解决方案。可以说UPS技术总的发展趋势是逐步向小型网络智能化和具有长延时方向发展，随着科技进步，UPS技术在不久的将来也将开辟一个更新的领域。
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