發布日期：2022-07-14 點擊率：49
摘要：伴隨著信息時代的到來及各種信息系統在各個領域的廣泛應用，計算機數據信息的安全穩定顯得越發重要。UPS作為直接影響計算機軟硬件能否安全運行的一個重要因素，電源質量的穩定性成為工業、學校尤其是金融業首要考慮的問題。隨著時代的不同，不同年代的需要對UPS不同分類及發展，是當今信息社會高速發展的需求。當今，UPS以確保系統具有“高穩定性”以及“高可用性”作為其保護重點。
1、引言
歷史上的不間斷電源，是伴隨著計算機的出現而誕生的，由于當時，數據的輸入非常復雜：首先將數據在紙帶上穿孔，再將已穿孔的紙帶通過光電機輸入到計算機。萬一在計算機工作中斷電，整個數據就會完全丟失，供電恢復后又必須重新將穿孔紙帶通過光電機把數據輸入到計算機。當時提出的要求就是，希望電源在市電斷電后能繼續維持供電5秒，將現場的運算結果保存到磁心存儲器中，待市電恢復后，能接著原來的計算結果繼續運行下去。早期的UPS于上世紀90年代開始成規模，主要用于給服務器、計算機系統或其他電力電子提供不間斷的電力供應。隨著互聯網的迅速發展以及國際互聯網的到來。UPS從計算機外圍設備，一個不受重視的角色迅速發展成為互聯網的關鍵設備及電子商務的保衛者。UPS作為信息時代的基石，開始了她新的歷史使命。
2、UPS的發展歷程
自上世紀60年代美國通用電氣公司研究生產不間斷電源以來，不間斷電源一直在被改進，但是其基本原理沒有重大變化。
一、飛輪式不間斷電源
飛輪式不間斷電源可以說是UPS的鼻祖，在使用電池的時代之前，不間斷電源曾經使用飛輪和內燃機為負載提供電能供應，這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉式不間斷電源。飛輪式不間斷電源由整流器、直流電動機、飛輪、柴油機（或汽油機）及發電機等組成。在電網供電的情況下，由整流器提供的直流電驅動電動機帶動飛輪旋轉，并且帶發電機為負載供電。由于飛輪的慣性作用，發電機轉速可以保持均衡，此時不間斷電源起過濾電網干擾的作用。當電網斷電后，飛輪繼續帶動發電機的轉子旋轉，同時啟動柴油機帶動發電機發電，替代原有電網為負載供電。
二、蓄電池式不間斷電源
隨著20世紀初期，半導體器件的迅猛發展以及在各領域廣泛的應用，UPS引入了逆變電路，同時也引入了蓄電池組，去掉了直流發電機和大飛輪。數十年來，UPS的這種電路拓撲，一直沿襲至今。
3、UPS組成部分
3.1 UPS關鍵電路
UPS是一種儲能裝置，主要是有蓄電池、逆變器為組成部件，穩壓、穩頻輸出的電源保護設備。當市電正常時，UPS將市電穩壓后給負載提供穩定的電源，同時，給蓄電池充電把能量儲存在電池內。當市電由于其他原因中斷（或市電不能滿足用戶規定要求），UPS通過“逆變器”把存儲在蓄電池的能量轉換成交流電給負載使用，使負載保持正常的工作狀態保護負載的軟、硬件不受損壞。
3.1.1 整流電路
整流電路作為UPS的主要組成部分，隨著電力電子技術的迅速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網側電流、電壓波形的嚴重畸變，導致了日趨嚴重的諧波污染。相關資料表明，電力電子裝置生產量在未來的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類裝置所產生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢在必行。
3.1.1.1 UPS產生諧波的特點
現時，以可控硅為主要器件的整流電路來說，其諧波分布有以下特點：
（1） 對于理想的P脈沖整流器,在交流側只有下列次數的諧波電流:n=pm±1次,式中m=1,2,3,…。各個諧波電流分量的幅值為基波電流的1/n。例如,對于6脈沖整流裝置,線電流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次諧波,其中5、7次諧波幅值分別為基波電流的1/5和1/7;對于12脈沖裝置,線電流中只有11、13、23、25…等奇次諧波,其幅值也顯著減小;
（2） 增加整流器的脈沖數P,對減少輸入諧波分量有決定性影響。所以,減少諧波最理想的方法就是盡量增加整流脈沖數。
3.1.1.2 6脈沖無輸入濾波器整流器的諧波分析
以6脈沖整流UPS為例，通過電力分析儀得到該UPS的諧波頻譜分析圖及電流波形發現：輸入電流波形嚴重畸變,A相輸入電流總諧波畸變達到45.3%,其中5次諧波占很大成分,A相約為41.5%,7次諧波次之,A相約為13.9%,與前所述的P脈沖整流產生諧波的特點相符,輸入功率因數PF()與基波功率(位移)功率因數cosφ=()的比值較大,即電流畸變因數ξ()偏離1較大,說明輸入電流的畸變較嚴重。另外,在電流波形呈現非正弦的情況下,畸變功率D即由諧波電流產生的無功功率也是不容忽視的。
諧波電流通過線路阻抗電壓疊加到電網中去,造成“二次電壓”，這種由諧波電流引起的電壓可造成并聯在電網上的其他設備不能正常工作甚至損壞設備。由此，國家相關職能部門對UPS的輸入諧波和輸入功率因數做了專門的規定，比如：YD/D1095-2008(通信用不間斷電源)4.3.1.2 1類標準規定FP（cosφ）≥，2類標準FP（cosφ）≥。
3.1.1.3 12脈沖整流器的諧波分析
當然，我們前面提到，增加脈沖數可以提高PF,如果使用12脈沖整流設計，那么，通過輸入端增加一個原邊為三角形連接、副邊1用三角形連接,副邊2用星型連接的隔離變壓器來實現12脈沖整流，通過電力分析儀，我們可以看出輸入電流的諧波主要以11次、13次為主，如果再增加一個針對11次、13次的濾波電路，那么其總輸入電流諧波含量為5.2%，輸入功率因數cosφ=()。
3.1.1.4 高頻整流技術
雖然，12脈沖對諧波的抑制效果及功率因數的有很明顯的提高，但是，我們從其設計來看，相對6脈沖整流來說其制造成本將近高出1倍。在此背景下，高頻PWM整流技術，逐漸成為各UPS制造商所廣泛使用的技術。PWM整流器的基礎是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是采用了全控型器件。
三相PWM整流橋主電路，由全控開關器件(IGBT)和續流二極管組成的三相半橋電路，通過理論分析以及系統實驗，PWM整流技術，可以有效地抑制輸入電流諧波及提高輸入功率因數。
有資料表明，某品牌UPS，采用IGBT的PWM整流工作方式的UPS,從電能質量分析可以得出:在負載率為62.2%的情況下,其輸入電流總諧波畸變在10%以內,以5次諧波和7次諧波為主,電流波形較接近正弦波,功率因數很高()。
隨著DSP技術的發展，PWM整流技術的控制電路變得越來越簡潔，由于DSP得強大的技術支持，PWM通過軟件完成，簡化了外圍電路，提高了系統的可靠性，使得高頻整流技術更加完美。
3.1.2 逆變技術
習慣上，人們將逆變器中完成直流變交流的電能前向主通道叫逆變主電路，它主要由功率開關器件，變壓器及電解電容等構成，通過控制功率開關元件有規律的通斷，使電流按預期的途徑流通而實現直流到交流的變換。控制逆變主電路的工作方式有很多種，但是，隨著功率開關元件的不斷升級特別是全控型器件的出現（譬如：IGBT），因此控制方式也基本采用脈沖寬度調制（PWM）方法。
3.1.2.1 SPWM技術
所謂PWM法，就是在周期不變的條件下通過改變脈沖的寬度來抑制諧波和調節逆變輸出的電壓大小。而SPWM法就是在PWM基礎上，使輸出電壓脈沖在一個特定時間間隔內的能量等效于正弦波所包含的能力，換而言之，就是規定脈沖的峰值不變，不同寬度的脈沖所包含的面積與相同寬度正弦波所包含的面積。
為了實現SPWM，假定電壓脈沖幅值不變且不小于峰值的條件下，可將正弦波的一個周期平均分成2N等分，于是每一份的寬度為π/N。通過工程函數的計算就可以通車電壓脈沖的寬度，在通過模擬電路產生所需要的SPWM波。隨著計算機技術和微處理器的發展和應用，通過過軟件設計可以直接由微處理器輸出SPWM，這樣可以簡化電路使得UPS的性能更加卓越。
4. UPS發展趨勢
一、UPS的智能化與網絡化
1. UPS的智能化
UPS的智能化包括系統運行狀態的自動識別和控制、系統故障的自我診斷、蓄電池自動監測與管理、智能化內部檢測與顯示等。UPS的異地遠程監控將UPS系統作為網絡的一個節點，通過專用遠程監控控制盤和RS-232/458通信接口與監控PC機之間實現交互控制。
2. UPS的網絡化
UPS的網絡化有兩方面的含義。一是UPS及其監控系統與所保護的負載——計算機或局域網的交互作用。當電源出現故障時。UPS內部的微控制器會及時把異常信息發送給它所保護的計算機或局域網，并由監控軟件在相應計算機發出警告信息，提醒操作人員或局域網管理員及時處理，在UPS供電結束前，自動中止計算機或局域網的遠行，并將現場信息自動存盤，通過Modem向相關人員發出E-mail等。
二、UPS高頻化
第一代UPS的功率開關為可控硅，第二代為功率晶體管，第三代為場控制型器件，（MOSFET和IGBT）。功率晶體管開關速度比可控硅高出一個數量級，場效應管MOSFET比功率晶體管又高出一個數量級，而IGBT功率器件電流容量比MOSFET大的多，且導通電阻小，工作頻率比MOSFET低，但也可以使功率變換電路的載波頻率高達50kHz。變換電路頻率的提高，使得由于濾波的電感、電容大大減少，UPS效率、噪聲、體積、動態響應特性和精度大大提高。
三、UPS綠色化
隨著電力電子技術的迅速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網側電流、電壓波形的嚴重畸變，導致了日趨嚴重的諧波污染。相關資料表明，電力電子裝置生產量在未來的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類裝置所產生的高次諧波約占總諧波源的70％以上，隨著各種政策法規的出臺，對無污染的綠色裝置的呼聲愈來愈高。UPS除加裝高效輸入濾波器外，還應用了PWM高頻整流技術，這樣既可消除本身由于整流濾波電路產生的諧波電流，又可補償功率因數，使UPS的輸入功率因數達以上。
四、大容量單機冗余化
由于網絡對UPS可靠性的要求越來越高，而解決可靠性的途徑除要求元器件本身高可靠性外，就是用冗余的方法。小容量UPS的單機內冗余已出現。而大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現。但這樣做又會使用戶投資太大。但毫無疑問，使用Internet技術監控的UPS系統將成為未來UPS技術的主流之一。
五、UPS控制系統數字化
伴隨著數字革命席卷全球的背景下，且電源系統被越來越廣泛的使用，對其性能指標的要求也越來越高。除了主功率拓撲以外，UPS的控制部分對其整體性能的影響也是至關重要的，數字化控制技術是當前UPS研究領域的一個熱點。由于DSP其強大的運算功能，使得UPS的控制電路愈來愈簡化，且各大院校紛紛加大了對其研究力度，近年來，比較成熟的技術論文也相繼出現。更值得一提的是，由于，簡化了外圍電路，使得使用傳統單片機技術的并機系統的技術瓶頸——負載環流問題得以輕松解決。有相關報道，某國際著名UPS制造商，通過DSP技術已經開發出了無線并機系統。
5、結束語
本章只是對UPS的主要技術發展做了一個簡單的結束，并沒有對其技術做深入的工程推導。回顧UPS的發展歷史，可以看出，每一次UPS的技術革新都是通過電子元件的更新換代而產生。
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