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          UPS電源的基本知識

          2021-08-23 16:55:36

          為什么要用UPS



          人們有一個常見的錯誤概念,認為使用的市電除了偶爾發生的斷電事故,是連續而且恒定的,其實不然。市電系統作為公共電網,上面連接了成千上萬各種各樣的負載,其中一些較大的感性、容性、開關電源等負載不僅從電網中獲得電能,還會反過來對電網本身造成影響,惡化電網或局部電網的供電品質,造成市電電壓波形畸變或頻率漂移。另外意外的自然和人為事故,如地震、雷擊、輸變電系統斷路或短路,都會危害電力的正常供應,從而影響負載的正常工作。根據電力專家的測試,電網中經常發生并且對電腦和精密儀器產生干擾或破壞的問題主要有以下幾種:


          1

          電涌(power surges)




          指輸出電壓有效值高于額定值110%,而且持續時間達一個或數個周期。電涌主要是由于在電網上連接的大型電氣設備關機時,電網因突然卸載而產生的高壓。


          2

          高壓尖脈沖(high voltage spikes)




          指峰值達6000v,持續時間從萬分之一秒至二分之一周期(10ms)的電壓。這主要由于雷擊、電弧放電、靜態放電或大型電氣設備的開關操作而產生。


          3

          暫態過電壓(switching transients)




          指峰值電壓高達20000V,但持續時間界于百萬分之一秒至萬分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖,只是在解決方法上會有區別。


          4

          電壓下陷(power sags)




          指市電電壓有效值介于額定值的80%至85%之間的低壓狀態,并且持續時間達一個到數個周期。大型設備開機,大型電動機啟動,或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。


          5

          電線噪聲(electricalline noise)




          指射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EFI)以及其它各種高頻干擾。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控制器的工作、廣播發射、微波輻射、以及電氣風暴等,都會引起線噪聲干擾。


          6

          頻率偏移(frequency variation)




          指市電頻率的變化超過3Hz以上。這主要由應急發電機的不穩定運行,或由頻率不穩定的電源供電所致。


          7

          持續低電壓(brown out)




          指市電電壓有效值低于額定值,并且持續較長時間。其產生原因包括:大型設備啟動和應用、主電力線切換、啟動大型電動機、線路過載。


          8

          市電中斷(power fail)




          指市電中斷并且持續至少兩個周期到數小時的情況。其產生原因有:線路上的斷路器跳閘、市電供應中斷、電網故障。




          對于電腦來說,顯示器及主機工作都需要正常的電力供應。尤其是內存,對電源的要求更高。它是一種依賴電能的存儲設備,需要不斷的刷新動作來保持存儲內容。一旦斷電,所保存的內容立即消失。如果非正常斷電,導致內存中的信息來不及保存到硬盤等存儲設備上,就會造成信息因完全丟失或變得不完整而失去價值,從而浪費大量的工作精力、時間、甚至造成巨大的經濟損失。而UNIX這樣的操作系統,如果不正常關機,內存中的系統信息沒有回寫到硬盤上,還可能造成系統崩潰,無法再次啟動。此外,電腦中的硬盤,雖然應用的是磁存儲介質,不會因斷電而損失信息,但突然的電力故障會使正在進行讀寫工作的硬盤物理磁頭損壞,或者系統文件在維護文件系統時,造成文件分配表錯誤,從而造成整個硬盤的報廢。另外,現在的操作系統大都能設置虛擬內存,由于突然的斷電,使系統來不及取消虛擬內存,從而造成硬盤中的“信息碎片”,不僅浪費了硬盤存儲空間,還會導致機器運行緩慢。電腦電源是一種整流電源,過高的電壓可能會造成整流器燒毀。而電壓尖脈沖和暫態過電壓以及電源雜訊等干擾都可能通過整流器進入主機板,影響機器的正常工作,甚至燒毀主機線路??傊?,電力問題是計算機工作的重大威脅。但是隨著計算機和網絡應用的日益重要和廣泛,安全可靠的電源已是網絡設計和管理人員不得不認真面對的重要問題?!靶枰巧鐣l展的*推動力”,在這種背景下,UPS(不間斷電源)應運而生,并伴隨電力電子技術的發展,不斷推陳出新,在十數年間,不僅造就了一個嶄新的產業,而且隨著時間的推移更將有蓬勃的發展和燦爛的前景。




          什么是UPS

          UPS(Uninterruptible Power System),即不間斷電源,是一種含有儲能裝置,以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。當市電輸入正常時,UPS將市電穩壓后供應給負載使用,此時的UPS就是一臺交流市電穩壓器,同時它還向機內電池充電;當市電中斷(事故停電)時,UPS立即將機內電池的電能,通過逆變轉換的方法向負載繼續供應220V交流電,使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。




          UPS作為保護性的電源設備,它的性能參數具有重要意義,應是我們選購時的考慮重點。市電電壓輸入范圍寬,則表明對市電的利用能力強(減少電池放電)。輸出電壓、頻率范圍小,則表明對市電調整能力強,輸出穩定。波形畸變率用以衡量輸出電壓波形的穩定性,而電壓穩定度則說明當UPS突然由零負載加到滿負載時,輸出電壓的穩定性。




          還有UPS效率、功率因數、轉換時間等都是表征UPS性能的重要參數,決定了對負載的保護能力和對市電的利用率。性能越好,保護能力也越強,總的來說,離線式UPS對負載的保護最差,在線互動式略優之,在線式則幾乎可以解決所有的常見電力問題。當然成本也隨著性能的增強而上升。因此用戶在選購UPS時,應根據負載對電力的要求程度及負載的重要性不同,而選取不同類型的UPS。




          不間斷電源(UPS)種類

          1什么是離線式不間斷電源(Off Line UPS)




          離線式不間斷電源,也稱為后備式不間斷電源,如上圖所示。平常市電通過旁路直接向負載供電,機內的逆變器處于停止工作狀態,這時的UPS電源實質上相當于一臺性能較差的市電穩壓器,它除了對市電電壓的幅度波動有所改善外,對電壓的頻率不穩、波形畸變以及從電網侵入的干擾等不良影響基本上沒有任何改善。只有在停電時,才通過逆變器將電池能量轉換為交流向負載提供電力。離線式不間斷電源的特點:


          1

          當市電正常時,離線式UPS對市電沒有任何處理而直接輸出至負載,因此對市電噪音以及浪涌的抑制能力較差;


          2

          存在轉換時間


          3

          保護性能最差


          4

          結構簡單、體積小、重量輕、控制容易、成本低。




          2什么是離線式不間斷電源(Off Line UPS)




          在市電正常供電時,它首先將市電交流電源經整流變成直流電源,然后進行脈寬調制、濾波,再將直流電經逆變器重新轉換成正弦波交流電源向負載供電。一旦市電中斷,立即改由蓄電池提供的直流電經逆變器向負載提供正弦波交流電源。因此,對在線式UPS電源而言,在正常情況下,無論有無市電,它都是由UPS電源的逆變器對負載供電,這樣就避免了所有由市電電網電壓波動及干擾而帶來的影響。顯而易見,在線式UPS電源的供電質量明顯優于后備式UPS電源。因為它可以實現對負載的穩頻、穩壓供電,而且在由市電供電轉換到蓄電池供電時,其轉換時間為零。真正給用戶提供優質的穩壓、穩頻的純凈正弦波電源,從而提供符合網絡系統需要的電源保護。在線式UPS的特點:


          1

          輸出的電力經過UPS的處理,輸出電源品質*;


          2

          無轉換時間


          3

          結構復雜,成本較高


          4

          保護性能*,對市電噪音以及浪涌的抑制能力最強。




          3什么是在線互動式不間斷電源



          圖片


          在線互動式UPS電源也被稱為3端口式UPS電源,使用的是工頻變壓器。從能量傳遞的角度來考慮,其變壓器存在3個能量流動的端口:端口1連接市電輸入;端口2通過雙向變換器與蓄電池相連;端口3輸出。市電供電時,交流電經端口1流入變壓器,在穩壓電路的控制下選擇合適的變壓器抽頭接入,同時在端口2的雙向變換器的作用下借助蓄電池的能量轉換共同調節端口3上的輸出電壓,以此來達到比較好的穩壓效果;市電掉電時,蓄電池通過雙向變換器經端口2給變壓器供電,維持端口3上的交流輸出。在線互動式UPS電源在變壓器抽頭切換的過程中,雙向變換器作為逆變器方式工作。蓄電池供電,因此能實現輸出電壓的不間斷,同樣在由市電供電到電池供電的切換過程中也能做到沒有轉換時間。在線互動式UPS電源的電路實現簡單,沒有單獨的充電器,帶來的是生產成本的降低和可靠性的提高。這類產品在市電供電工作時也不存在AC/DC、DC/AC的轉換,使整機效率有所提高。在線互動式UPS很好地結合了后備式UPS和在線式UPS的許多優點,是一種很不錯的變換形式。但是由于它使用的是工頻變壓器,同樣有笨重、體積大的問題。在線交互式UPS的特點:


          1

          具雙向性轉換器設計,UPS電池回充時間較短;


          2

          存在轉換時間;


          3

          控制結構復雜,成本較高;


          4

          保護性能介于在線式與離線式UPS之間,對市電噪音和浪涌的抑制能力較差。




          不間斷電源供電時間多長才合適

          UPS能在電力異常時有足夠的時間實施應急措施。一般而言5-10分鐘的后備時間就足夠了。如果需要較長的后備時間,可以購買具有長延時功能的UPS。




          不間斷電源的容量如何計算

          目前市場上銷售的不間斷電源(UPS)多以VA作為容量單位。V是電壓,A是電流,V×A就等于功率,即不間斷電源的容量。例如,一臺425VA的不間斷電源,如果其輸出電壓為110V,則該UPS能夠提供的*電流為3.86A,超過此電流值就是超載(Overload)。另一種表示功率的方法是W,W表示實功,VA表示虛功。兩者之間的差別在于功率因數。功率因數一般在為0.6到0.8之間,若低于0.5則UPS設計不佳,在選購UPS時,應考慮功率因數問題。




          如何延長不間斷電源的供電時間

          延長不間斷電源的供電時間有兩種方法:


          1

          增加電池容量




          可以根據所需供電的時間長短增加電池的數量,但是采用這種方法會造成電池充電時間的相對增加,同時也會增加相應的維護設備的數量、增大產品體積,造成UPS整體成本提高;


          2

          選購容量較大的UPS




          采用這種方法不僅可以降低維修成本,如果需要擴充負載設備,較大容量的不間斷電源仍可正常工作。




          什么是電源監控軟件

          電源監控軟件是與不間斷電源(UPS)配合使用,用以提高不間斷電源的效能。用戶在使用不間斷電源過程中,通過該軟件能夠準確掌握不間斷電源的工作狀態,記錄市電的穩定狀況供技術人員進行分析。沁市電中斷或電池供電終止時可以自動進行文檔儲存、系統關閉以及關閉UPS等功能。新一代電源監控軟件還具有UPS遠端監控和UPS定時開關機等功能。




          購買UPS時必須購買相應的監控軟件嗎

          為了提高并有效的發揮UPS的全部效能,選擇一套UPS監控軟件是必須的。一般用戶最希望知道的是市電輸入及電池狀態是否正常。當市電發生異常,又未安裝相應的電源監控軟件時,如果用戶在現場,可以利用UPS提供的電源采取應急措施,如儲存文檔、關閉系統等。但是如果市電發生異常,又未安裝監控軟件,而用戶又不在現場,當UPS電池供電耗盡時,輕則造成資料的流失,重則造成電腦與周邊設備內部元件損壞。因此購買UPS時,*同時購買電源監控軟件來實現完善的電力保護。




          不間斷電源的通訊接口有哪些

          目前市場上銷售的不間斷電源(UPS)采用的通訊接口有以下幾種:繼電器連接;RS-232接口;AS400接口;SNMP接口;USB接口。




          其中AS400接口主要是針對IBM電腦設計的。而SNMP則能夠使UPS無須通過電腦設備就可以連上網絡,同時通過網絡對UPS進行監控。繼電器連接與RS-232接口是最常見的,現將其功能簡單介紹如下:繼電器連接方式,能夠使UPS能過監控軟件監控市電是否正常,電池電壓是否過低,同時提供自動儲存文檔和系統關閉等功能。RS-232通訊間接口除了具有繼電器方式連接的全部功能以外,還可以通過監控軟件實時監控不間斷電源的電壓、電流、頻認、負載容量等,并且可以設置UPS開關機時間與廣播功能。USB(萬用串行接口)是今后通訊接口的發展趨勢,目前使用USB接口的使用將越來越普遍。




          不間斷電源使用何種電池

          目前市場上銷售的不間斷電源(UPS),絕大多數采用密封式免維護鉛酸電池。




          電池的使用壽合一般有多長

          不間斷電源的供電來源其內部的電池放電。電池老化的原因除了外部環境因素以外,還有電池內部化學變化等因素。即使是將電池長期放置不用,電池角會出現老化現象。一般經驗而言,電池的使用壽命2-3年。




          電池如何保養

          定期對電池充放電是電池保養的關鍵。如果用戶選購的UPS具有電池監測功能,UPS可以定期自動執行該功能。如果用戶的UPS不具備此項功能,可以將UPS電源輸入端的插頭拔掉,模擬市電中斷,再觀察電池放電時間是否足夠長?如果放電時間不足,則應考慮更換電池,以保證當電源中斷時電池有足夠的放電時間,保證檔案的儲存和系統的完全關閉。




          何處可更換電池

          當用戶選購的UPS需要更換電池時,可以與該產品的服務商或經銷商聯系。




          什么是SNMP

          SNMP是簡易網絡管理協定(Simple Network Management Protocol)的英文縮寫。該協議能夠使UPS以其周邊設備能夠不通過電腦而直接連上網絡,納入網絡系統管理。*的UPS通常具有SNMP網絡管理介面,可讓該UPS很容易的連上網絡。




          什么是隔離變壓器

          儀器設備與普通的UPS配合使用時,經常會因為零地電壓的原因造成儀器設備誤動作。為避免這種情況的出現,*的UPS針對這個問題,設計出具有隔離變壓器的UPS,經過特殊的設計可以使輸出的零地電壓小于1伏,從而避免上述問題的發生,除此這外,隔離變壓器還具有噪音濾波等功能。




          什么是Boost和Buck

          Boost是升壓,Buck是降壓。當市電電壓過低或過高時,穩壓器將過低或過高的電壓升高或降低至規定的范圍之內,使UPS或相關設備正常運行。




          什么是AVR

          AVR是Automatic voltage Regulation(自動調壓)的英文縮寫。




          選購在線式UPS應注意什么

            選購在線式(on-line)UPS時應注意以下事項:


          1

          UPS是否具有高功率因數。


          2

          如果UPS的負載為感性或容性負載,應當選擇采用全橋軟開關變換器的UPS。


          3

          某些電腦或精密儀器設備對UPS輸出中線至大地之間的電壓值有特殊要求。例如,有些儀器設備要求該電壓值小于3V,有些甚至要求小于1V。在選購UPS時需要考慮這個問題。


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