能量可以通過不同的方式存儲。例如我們最熟悉的手機(jī)，我們在外出時，手機(jī)可以不用一直接上電池，就是手機(jī)里有一塊電能儲能裝置，可充電電池，而UPS不間斷電源也是一樣的原理。

一、什么是UPS不間斷電源：

UPS不間斷電源(UninterruptiblePowerSupply)是一種允許計(jì)算機(jī)在輸入電源中斷時至少短時間保持運(yùn)行的設(shè)備。只要市電有流動，它也會補(bǔ)充和維持能量存儲。存儲的能量越多，維持電力的時間就越長，但實(shí)際的限制將在后面討論。UPS系統(tǒng)之間的差異在于使它們能夠完成工作的技術(shù)。

二、UPS不間斷電源的分類：

最常用也是最有效的UPS類型，一般稱為全時或全雙轉(zhuǎn)換UPS。對于任何UPS，輸入的市電均為交流電(AC)，這也是大多數(shù)信息技術(shù)設(shè)備(ITE)所要求的。

另一方面，電池是直流(DC)設(shè)備，因此所有電池型UPS都必須將輸入的交流電轉(zhuǎn)換（或整流）為直流電，以便為電池充電。UPS還必須仍然向ITE提供交流電，因此必須通過稱為逆變器的設(shè)備將直流電轉(zhuǎn)換回交流電。

在雙轉(zhuǎn)換UPS中，電力連續(xù)流經(jīng)整流器，然后通過逆變器流至ITE。輸出電壓和頻率與輸入電壓和頻率完全隔離且獨(dú)立。它們甚至可以與輸入完全不同，因此該系統(tǒng)在技術(shù)上被歸類為電壓和頻率無關(guān)（VFI）。

三、與電壓和頻率無關(guān)：

（下圖1）顯示了正常運(yùn)行中的VFI系統(tǒng)。輸入功率異常有兩種處理方式。浪涌抑制裝置(SPD)可以吸收特別嚴(yán)重的電壓尖峰。這些可能是由電源線、電梯或醫(yī)療電子設(shè)備上使用的大型電機(jī)的雷擊引起的；焊工或許多其他來源。但即使是最小的變化，包括電壓暫降或斷電，也無法通過VFIUPS到達(dá)輸出。

電池是出色的電減震器，但它們還為逆變器維持穩(wěn)定恒定的電壓，逆變器完全重新合成電壓和電流，從而使輸送到ITE的電力干凈穩(wěn)定。將空調(diào)或其他電機(jī)連接到為ITE提供服務(wù)的UPS可能會污染這種清潔的輸出電源，因此不建議這樣做。

注意UPS周圍的旁路電路。我們稍后會解決這個問題。

VFI雙轉(zhuǎn)換UPS——正常模式

在正常操作中，電池始終存在于電路中，在需要時（例如在停電期間）提供少量電力，因此輸出電力不會出現(xiàn)絲毫中斷。

當(dāng)市電出現(xiàn)故障時，如下圖2所示，電池會繼續(xù)向逆變器提供儲存的能量，逆變器會繼續(xù)向ITE提供清潔電力。當(dāng)市電恢復(fù)時，電力通過整流器回流，為逆變器供電并為電池充電。

VFI雙轉(zhuǎn)換UPS——故障模式

四、UPS靜態(tài)和維護(hù)旁路：

UPS不是不間斷的。它們是電氣或機(jī)械設(shè)備，因此不僅需要日常維護(hù)，而且容易出現(xiàn)部件故障。出于這些原因，所有UPS系統(tǒng)都具有內(nèi)置旁路，可將輸入電源路由到系統(tǒng)周圍，并在必要時直接路由到ITE。

高品質(zhì)SPD仍在電路中，但僅比在具有浪涌保護(hù)的電源板上運(yùn)行家用電子產(chǎn)品稍好一些。它不會阻止公用電源中斷或處理電壓驟降或停電。如果UPS發(fā)生故障，旁路會立即作為靜態(tài)開關(guān)運(yùn)行。

當(dāng)技術(shù)人員必須在系統(tǒng)上工作時，手動操作旁路以保證內(nèi)部組件的安全。如果UPS處于旁路狀態(tài)時市電發(fā)生故障，ITE的電源就會中斷。任何僅配備一臺UPS的安裝都存在此漏洞。下面的圖3顯示了處于旁路模式的UPS。

請注意，主要尖峰已被消除，但電壓下降仍在繼續(xù)。

VFI雙變換UPS——旁路模式

五、經(jīng)濟(jì)模式運(yùn)行：熱力學(xué)第一定律——能量守恒定律，規(guī)定能量既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。沒有任何電氣或機(jī)械設(shè)備是100%高效的，因此每次轉(zhuǎn)換都會產(chǎn)生損耗，這些損耗會以熱量的形式逸出。

UPS系統(tǒng)的效率比十年前高得多，并且從低負(fù)載到高負(fù)載都保持接近相同的效率。但整流器和逆變器仍然存在損耗，當(dāng)UPS處于旁路模式時，這些損耗會被消除。許多VFIUPS現(xiàn)在提供一種復(fù)雜的旁路版本，稱為經(jīng)濟(jì)模式（eco模式），如下圖4所示。經(jīng)濟(jì)模式UPS可以在需要時恢復(fù)完全VFI運(yùn)行。

當(dāng)消除整流器和逆變器損耗時，可以節(jié)省電力和成本，直到停電并需要UPS全面運(yùn)行。一些用戶將系統(tǒng)設(shè)置為白天進(jìn)行VFI操作，并在夜間自動切換到經(jīng)濟(jì)模式（如果這些操作被認(rèn)為不太重要）。節(jié)能模式通常非?？煽?，但許多用戶對來回切換模式持謹(jǐn)慎態(tài)度。此外，新的VFIUPS效率與經(jīng)濟(jì)模式下可達(dá)到的效率相差不到1%或更少，因此許多用戶現(xiàn)在認(rèn)為這種替代運(yùn)行模式是不必要的。

請注意，eco模式UPS包含高質(zhì)量濾波器，這也會產(chǎn)生少量損耗，并且切換模式時通常會出現(xiàn)短暫的不穩(wěn)定。Eco模式效率是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但如果電源故障很少發(fā)生且是短期的，則該效率可以達(dá)到99%。

VFI雙變換UPS——經(jīng)濟(jì)模式

六、在線互動式UPS：

真正的在線互動式UPS，又稱電壓無關(guān)型（VI），因輸出頻率與輸入相同而得名。它們看起來與經(jīng)濟(jì)模式下的VFIUPS幾乎相同，除了整流器的尺寸以及無法切換到VFI模式之外。

較小的整流器只需要給電池充電，這有助于吸收異常情況并在電壓驟降時提高功率。當(dāng)斷電時，電池會完全接管。下面的圖5顯示了電池和逆變器如何通過與輸出并行運(yùn)行來幫助補(bǔ)償輸入電壓變化。

VI線交互-普通模式

下面的圖6顯示了傳入服務(wù)出現(xiàn)故障時的線路交互式UPS。就像在雙轉(zhuǎn)換UPS中一樣，電池接管工作，但旁路將市電從電路中切換出來。由于ITE大部分時間依靠市電運(yùn)行，因此可以避免通過逆變器進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)換，直到斷電為止，從而消除了效率損失組件之一。

十年前，VIUPS的效率優(yōu)勢可能比VFI裝置高出5%或更多，但VFIUPS的巨大改進(jìn)已將這一優(yōu)勢降低至1%或更低。

VI線互動-故障模式

七、備用UPS：

下面的圖7通常稱為備用UPS，屬于電壓和頻率相關(guān)型(VFD)。與VIUPS一樣，電力直接輸送至ITE，但電池和逆變器在斷電之前不會進(jìn)入電路。輸出經(jīng)過濾波，但不如真正的VI UPS穩(wěn)定。

VFD備用UPS——正常模式

如下圖8所示，當(dāng)電源出現(xiàn)故障時，市電會斷開電路，電池和逆變器會接通。存在一定的切換不穩(wěn)定性，但延遲足夠短，足以讓大多數(shù)計(jì)算機(jī)電源能夠渡過。

當(dāng)電力恢復(fù)時（無論是市電還是發(fā)電機(jī)），逆變器會斷開連接，線路電源會重新接通，并且電池會通過整流器進(jìn)行充電，整流器比VFI或VIUPS小得多。

VFD備用UPS——故障模式

不幸的是，備用或VFDUPS有時被宣傳為線路交互式。確定UPS的類型非常重要。國際公認(rèn)的VI和VFD標(biāo)識提供了絕對的區(qū)別，但制造商并不總是使用，特別是對于較小的系統(tǒng)。

七、機(jī)械和非電池UPS系統(tǒng)：

機(jī)械式UPS主要分為三種類型，其中兩種也是非電池式的。這三個都是真正的VFI或雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但中間轉(zhuǎn)換是純機(jī)械的：

1．電動發(fā)電機(jī)(MG)組將電動機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起。電機(jī)相當(dāng)于VFIUPS中的整流器，發(fā)電機(jī)相當(dāng)于逆變器。市電驅(qū)動整流器，該整流器運(yùn)行直流電機(jī)并為電池充電。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時，電池使電機(jī)保持運(yùn)轉(zhuǎn)，以便發(fā)電機(jī)繼續(xù)向負(fù)載供電。MG裝置更常用于維持其他機(jī)械設(shè)備（例如空調(diào)）的電力，而不是為實(shí)際的ITE供電，盡管曾經(jīng)有一段時間它們在舊大型計(jì)算機(jī)中相當(dāng)普遍。

2．柴油旋轉(zhuǎn)式UPS(DRUPS)與MG機(jī)組類似，不同之處在于沒有電池（除了用于發(fā)電機(jī)啟動），并且內(nèi)置柴油發(fā)動機(jī)在市電故障時啟動并維持供電。飛輪使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)足夠長的時間，以便在機(jī)械離合器將發(fā)電機(jī)連接到發(fā)電機(jī)之前穩(wěn)定發(fā)電機(jī)。同樣，這些往往更多地用于維持空調(diào)供電，而不是為ITE供電。當(dāng)不間斷冷卻對維護(hù)尤為重要時，它們通常被選為獨(dú)立發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)高效替代方案。

3．飛輪UPS與MG機(jī)組和DRUPS有相似之處，但也有重大區(qū)別。當(dāng)市電可用時，發(fā)電機(jī)由電動機(jī)轉(zhuǎn)動，但該系統(tǒng)僅包含一個重型飛輪來保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，通常直到輔助發(fā)電機(jī)恢復(fù)供電為止。飛輪安裝在真空密封外殼中幾乎無摩擦的空氣或磁力軸承上，可保持動力長達(dá)30秒。組合裝置可將持續(xù)時間延長至幾分鐘，而不會產(chǎn)生其他UPS常見的熱量。

八、UPS功率因數(shù)：

功率因數(shù)（pf）是有功功率與視在功率之差。這是一個很大的誤解，但對于買家來說了解這一點(diǎn)非常重要。從歷史上看，大多數(shù)大型UPS的pf均為0.8，這意味著100千伏安(kVA)UPS只能提供80千瓦(kW)的有功功率。當(dāng)今大多數(shù)現(xiàn)代UPS的pfs為0.9至1.0，這意味著以kW為單位的有功功率更接近甚至等于以kVA為單位的視在功率。

九、集中式UPS與分布式UPS：

分布式UPS通常是指安裝在每個設(shè)備柜中的小型UPS，盡管有時每排機(jī)柜都有一個UPS。存在小型VFIUPS，但許多都是VFD或VI設(shè)計(jì)，因此了解正在購買哪種技術(shù)非常重要。小型機(jī)架式UPS的pfs通常僅為0.7，因此宣傳為1,000kVA的UPS可能只能提供700瓦的功率。這些都有其用武之地，但通常在只有一兩個設(shè)備機(jī)架的情況下，集中式獨(dú)立UPS并不經(jīng)濟(jì)。

小型分布式UPS的維護(hù)并不總是和大型系統(tǒng)一樣，因此故障電池常常無法被識別，直到為時已晚。

十、選擇和使用UPS系統(tǒng)的注意事項(xiàng)：

選擇UPS系統(tǒng)有幾個重要的考慮因素，包括：

1．模塊化：大多數(shù)現(xiàn)代電池式UPS都是模塊化的。它們由多個較小的UPS和電池單元組成，可以根據(jù)需要進(jìn)行組合以提供容量、冗余或兩者兼而有之。不再需要為了長期增長而過度購買。這個框架必須足夠大才能滿足長期期望。

實(shí)際模塊可以根據(jù)需要購買和安裝，并且可以安裝一個或兩個附加模塊以提供冗余。例如，100kWUPS可能有六個20kW模塊以提供N+1冗余。電池容量可以用同樣的方式模塊化增加。此外，大多數(shù)系統(tǒng)中的模塊都是可熱插拔的，因此可以移除故障模塊并將其返回工廠，并在夜間發(fā)送替換模塊供用戶安裝，而無需中斷操作。

如上所述，飛輪UPS還可以進(jìn)行模塊化組合，以增加尺寸、運(yùn)行持續(xù)時間和/或冗余。然而，這些必須由經(jīng)過培訓(xùn)的人員添加和維護(hù)。

2．階躍功能：當(dāng)用電設(shè)備突然承受大負(fù)載時，電源可能會暫時不穩(wěn)定，例如當(dāng)家庭恢復(fù)供電時燈光閃爍或大型電機(jī)啟動時燈光短暫變暗。這是運(yùn)行2NUPS冗余時最值得關(guān)注的問題，因?yàn)橐慌_UPS發(fā)生故障需要第二臺UPS立即吸收總負(fù)載。

這在VFDUPS中也是一個令人擔(dān)憂的問題，其中滿負(fù)載在電源故障時轉(zhuǎn)移到逆變器，并且在VI系統(tǒng)或在經(jīng)濟(jì)模式下運(yùn)行的系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)問題。在評估大型UPS系統(tǒng)時，電氣工程師從UPS供應(yīng)商處獲取瞬態(tài)負(fù)載數(shù)據(jù)、進(jìn)行比較并向所有者解釋結(jié)果非常重要。

十一、電池和電池持續(xù)時間：

電池是一項(xiàng)不斷發(fā)展的技術(shù)，特別是因?yàn)殡姵卦陔妱悠囍械氖褂昧坎粩嘣黾?。電池很重，因此?yīng)經(jīng)常驗(yàn)證地板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前常用三種類型的電池：

1．富液式鉛酸電池或濕電池最昂貴，但使用壽命最長——通常為25年或更長。然而，他們需要獨(dú)立的防火房間，配有酸排水管、氫氣檢測警報器、排氣扇、洗眼站、雨淋和危險品防護(hù)裝備。它們也是最重的，需要定期維護(hù)，并且通常用于最大和最復(fù)雜的裝置。

2．閥控鉛酸(VRLA)、也稱為密封電池，使用糊狀電解質(zhì)而不是液體，并裝在帶有小通風(fēng)口的密封包裝中。它們的充電速度比濕電池慢，以避免氫氣排放，因此可以在任何空間使用，無需特殊構(gòu)造或保護(hù)。保修期通常為10年，但實(shí)際使用壽命通常僅為3-5年，具體取決于當(dāng)?shù)仉娏Ψ€(wěn)定性以及電池部分放電和充電的頻率。壽命較長的VRLA電池價格較高，但通常必須指定。VRLA的重量比濕電池輕一些。

3．鋰離子(Li-ion)是最新的電池，在大多數(shù)司法管轄區(qū)無需特殊房間或建筑即可使用?？赡苋匀挥幸恍┏鞘姓J(rèn)為它們是危險的，但它們的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)與那些在超緊湊電子產(chǎn)品中起火的城市完全不同。鋰離子電池比VRLA更小、更輕，可以部分放電和充電而不會退化，并且預(yù)計(jì)比VRLA具有更長的使用壽命。然而，它們對于長期數(shù)據(jù)來說仍然太新。

十二、電池持續(xù)時間：

無論電池類型如何，UPS系統(tǒng)都會散發(fā)熱量，因此UPS在沒有空調(diào)的情況下運(yùn)行的時間是有限的。實(shí)際限制取決于房間大小、其他設(shè)備和建筑熱負(fù)荷等因素，但普遍接受的規(guī)則是30分鐘到60分鐘。

在某些時候，UPS會過熱并進(jìn)入自我保護(hù)熱關(guān)機(jī)狀態(tài)。因此，如果沒有發(fā)電機(jī)來重新啟動冷卻，較長的電池持續(xù)時間會浪費(fèi)空間和金錢，并大大增加電池更換成本，特別是在使用VRLA電池時。一個電池出現(xiàn)故障需要更換整個電池組，否則其他電池將過早失效。如果IT人員擔(dān)心有序關(guān)閉，那么最好使用大多數(shù)大型UPS上提供的功能來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該功能可以在電池壽命達(dá)到預(yù)設(shè)水平時通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號來關(guān)閉ITE。

對于發(fā)電機(jī)，UPS通常配置僅支持幾分鐘的電池。優(yōu)質(zhì)發(fā)電機(jī)應(yīng)在幾秒鐘內(nèi)啟動并穩(wěn)定，但有時需要更長的持續(xù)時間，以便在發(fā)電機(jī)無法啟動時提供時間。對于冗余發(fā)電機(jī)來說，這應(yīng)該是不必要的。

電池組：最常見的UPS組件是電池。因此，最好的配置是使用至少兩個電池組來提供所需的持續(xù)時間。

電池監(jiān)控和維護(hù)：許多較新的UPS系統(tǒng)都采用第三方電池監(jiān)控。如果不這樣做，則應(yīng)將其指定為附加要求。當(dāng)突然承受負(fù)載時，電池往往會失效，而這正是最需要它們的時候。監(jiān)控器有多種類型，制造商之間對于哪種類型最好存在爭議，但任何監(jiān)控系統(tǒng)都會在災(zāi)難發(fā)生之前對薄弱或故障的電池發(fā)出警報。濕電池需要定期維護(hù)。當(dāng)監(jiān)測顯示電池電量較弱時，應(yīng)更換電池。

變壓器和接地：請注意，UPS插圖中沒有顯示輸入或輸出變壓器。變壓器曾經(jīng)是電子式UPS的標(biāo)配，但現(xiàn)在已經(jīng)很少見到了，這對效率的提高起到了很大的作用。消除變壓器還有另一個潛在的優(yōu)點(diǎn)和兩個潛在的缺點(diǎn)：

優(yōu)勢：如果輸入和輸出電壓相同，則不需要包含變壓器的全環(huán)繞旁路，而維護(hù)旁路則不需要。

缺點(diǎn)：如果輸入和輸出電壓必須不同，則不僅在輸入或輸出處需要變壓器，而且還需要包含另一個變壓器的全環(huán)繞旁路。

缺點(diǎn)：沒有輸出變壓器將負(fù)載與UPS隔離。因此，電氣工程師在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)和解決故障情況（通常稱為短路）問題時必須特別謹(jǐn)慎，因?yàn)楣收锨闆r可能會損壞UPS輸出晶體管。這通常是通過大型配電裝置中的外部配電變壓器來完成的。

低電能質(zhì)量和發(fā)電機(jī)的注意事項(xiàng)

VI和VFDUPS可能會出現(xiàn)電源不穩(wěn)定的問題。由于在電源完全恢復(fù)之前通常會出現(xiàn)一次或多次閃爍，因此這些UPS包含一些邏輯，可防止它們在電源穩(wěn)定之前恢復(fù)正常運(yùn)行。

VI和VFDUPS不應(yīng)該在電源不穩(wěn)定的地方使用，因?yàn)樗鼈冞€具有鎖定功能，如果它們來回切換過于頻繁，則無法恢復(fù)正常，需要手動恢復(fù)。如果發(fā)電機(jī)切換到負(fù)載太快，并且在嘗試吸收負(fù)載時出現(xiàn)時強(qiáng)時弱，也會出現(xiàn)同樣的問題。