摘要：伴隨著信息時(shí)代的到來及各種信息系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息的安全穩(wěn)定顯得越發(fā)重要。UPS作為直接影響計(jì)算機(jī)軟硬件能否安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素，電源質(zhì)量的穩(wěn)定性成為工業(yè)、學(xué)校尤其是金融業(yè)首要考慮的問題。隨著時(shí)代的不同，不同年代的需要對(duì)UPS不同分類及發(fā)展，是當(dāng)今信息社會(huì)高速發(fā)展的需求。當(dāng)今，UPS以確保系統(tǒng)具有“高穩(wěn)定性”以及“高可用性”作為其保護(hù)重點(diǎn)。
1、引言
歷史上的不間斷電源，是伴隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)而誕生的，由于當(dāng)時(shí)，數(shù)據(jù)的輸入非常復(fù)雜：首先將數(shù)據(jù)在紙帶上穿孔，再將已穿孔的紙帶通過光電機(jī)輸入到計(jì)算機(jī)。萬一在計(jì)算機(jī)工作中斷電，整個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)完全丟失，供電恢復(fù)后又必須重新將穿孔紙帶通過光電機(jī)把數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)。當(dāng)時(shí)提出的要求就是，希望電源在市電斷電后能繼續(xù)維持供電5秒，將現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)算結(jié)果保存到磁心存儲(chǔ)器中，待市電恢復(fù)后，能接著原來的計(jì)算結(jié)果繼續(xù)運(yùn)行下去。早期的UPS于上世紀(jì)90年代開始成規(guī)模，主要用于給服務(wù)器、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其他電力電子提供不間斷的電力供應(yīng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展以及國際互聯(lián)網(wǎng)的到來。UPS從計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備，一個(gè)不受重視的角色迅速發(fā)展成為互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備及電子商務(wù)的保衛(wèi)者。UPS作為信息時(shí)代的基石，開始了她新的歷史使命。
2、UPS的發(fā)展歷程
自上世紀(jì)60年代美國通用電氣公司研究生產(chǎn)不間斷電源以來，不間斷電源一直在被改進(jìn)，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(shí)代之前，不間斷電源曾經(jīng)使用飛輪和內(nèi)燃機(jī)為負(fù)載提供電能供應(yīng)，這種不間斷電源被稱為飛輪式或旋轉(zhuǎn)式不間斷電源。飛輪式不間斷電源由整流器、直流電動(dòng)機(jī)、飛輪、柴油機(jī)（或汽油機(jī)）及發(fā)電機(jī)等組成。在電網(wǎng)供電的情況下，由整流器提供的直流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，并且?guī)Оl(fā)電機(jī)為負(fù)載供電。由于飛輪的慣性作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以保持均衡，此時(shí)不間斷電源起過濾電網(wǎng)干擾的作用。當(dāng)電網(wǎng)斷電后，飛輪繼續(xù)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)啟動(dòng)柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，替代原有電網(wǎng)為負(fù)載供電。
二、蓄電池式不間斷電源
隨著20世紀(jì)初期，半導(dǎo)體器件的迅猛發(fā)展以及在各領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，UPS引入了逆變電路，同時(shí)也引入了蓄電池組，去掉了直流發(fā)電機(jī)和大飛輪。數(shù)十年來，UPS的這種電路拓?fù)?，一直沿襲至今。
3、UPS組成部分
3.1 UPS關(guān)鍵電路
UPS是一種儲(chǔ)能裝置，主要是有蓄電池、逆變器為組成部件，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常時(shí)，UPS將市電穩(wěn)壓后給負(fù)載提供穩(wěn)定的電源，同時(shí)，給蓄電池充電把能量?jī)?chǔ)存在電池內(nèi)。當(dāng)市電由于其他原因中斷（或市電不能滿足用戶規(guī)定要求），UPS通過“逆變器”把存儲(chǔ)在蓄電池的能量轉(zhuǎn)換成交流電給負(fù)載使用，使負(fù)載保持正常的工作狀態(tài)保護(hù)負(fù)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(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)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(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢(shì)在必行。
UPS產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)
現(xiàn)時(shí)，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(diǎn)：
?。?） 對(duì)于理想的P脈沖整流器,在交流側(cè)只有下列次數(shù)的諧波電流:n=pm±1次,式中m=1,2,3,…。各個(gè)諧波電流分量的幅值為基波電流的1/n。例如,對(duì)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(duì)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(shù)P,對(duì)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(shù)。
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(fā)現(xiàn)：輸入電流波形嚴(yán)重畸變,A相輸入電流總諧波畸變達(dá)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(chǎn)生諧波的特點(diǎn)相符,輸入功率因數(shù)PF(0.79)與基波功率(位移)功率因數(shù)cosφ=(0.86)的比值較大,即電流畸變因數(shù)ξ(0.92)偏離1較大,說明輸入電流的畸變較嚴(yán)重。另外,在電流波形呈現(xiàn)非正弦的情況下,畸變功率D即由諧波電流產(chǎn)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(wǎng)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(lián)在電網(wǎng)上的其他設(shè)備不能正常工作甚至損壞設(shè)備。由此，國家相關(guān)職能部門對(duì)UPS的輸入諧波和輸入功率因數(shù)做了專門的規(guī)定，比如：YD/D1095-2008(通信用不間斷電源) 1類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定FP（cosφ）≥0.95，2類標(biāo)準(zhǔn)FP（cosφ）≥0.90。
12脈沖整流器的諧波分析
當(dāng)然，我們前面提到，增加脈沖數(shù)可以提高PF,如果使用12脈沖整流設(shè)計(jì)，那么，通過輸入端增加一個(gè)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(shí)現(xiàn)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(gè)針對(duì)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(shù)cosφ=(0.94)。
高頻整流技術(shù)
雖然，12脈沖對(duì)諧波的抑制效果及功率因數(shù)的有很明顯的提高，但是，我們從其設(shè)計(jì)來看，相對(duì)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(shù)，逐漸成為各UPS制造商所廣泛使用的技術(shù)。PWM整流器的基礎(chǔ)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(guān)器件(IGBT)和續(xù)流二極管組成的三相半橋電路，通過理論分析以及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，PWM整流技術(shù)，可以有效地抑制輸入電流諧波及提高輸入功率因數(shù)。
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(zhì)量分析可以得出:在負(fù)載率為62.2%的情況下,其輸入電流總諧波畸變?cè)?0%以內(nèi),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(shù)很高(0.94)。
隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，PWM整流技術(shù)的控制電路變得越來越簡(jiǎn)潔，由于DSP得強(qiáng)大的技術(shù)支持，PWM通過軟件完成，簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了系統(tǒng)的可靠性，使得高頻整流技術(shù)更加完美。
3.1.2 逆變技術(shù)
習(xí)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(guān)器件，變壓器及電解電容等構(gòu)成，通過控制功率開關(guān)元件有規(guī)律的通斷，使電流按預(yù)期的途徑流通而實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換?？刂颇孀冎麟娐返墓ぷ鞣绞接泻芏喾N，但是，隨著功率開關(guān)元件的不斷升級(jí)特別是全控型器件的出現(xiàn)（譬如：IGBT），因此控制方式也基本采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方法。
SPWM技術(shù)
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(diào)節(jié)逆變輸出的電壓大小。而SPWM法就是在PWM基礎(chǔ)上，使輸出電壓脈沖在一個(gè)特定時(shí)間間隔內(nèi)的能量等效于正弦波所包含的能力，換而言之，就是規(guī)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(shí)現(xiàn)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(gè)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(shù)的計(jì)算就可以通車電壓脈沖的寬度，在通過模擬電路產(chǎn)生所需要的SPWM波。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微處理器的發(fā)展和應(yīng)用，通過過軟件設(shè)計(jì)可以直接由微處理器輸出SPWM，這樣可以簡(jiǎn)化電路使得UPS的性能更加卓越。
4. UPS發(fā)展趨勢(shì)
一、UPS的智能化與網(wǎng)絡(luò)化
1. UPS的智能化
UPS的智能化包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別和控制、系統(tǒng)故障的自我診斷、蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)與管理、智能化內(nèi)部檢測(cè)與顯示等。UPS的異地遠(yuǎn)程監(jiān)控將UPS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過專用遠(yuǎn)程監(jiān)控控制盤和RS-232/458通信接口與監(jiān)控PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)交互控制。
2. UPS的網(wǎng)絡(luò)化
UPS的網(wǎng)絡(luò)化有兩方面的含義。一是UPS及其監(jiān)控系統(tǒng)與所保護(hù)的負(fù)載——計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)的交互作用。當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí)。UPS內(nèi)部的微控制器會(huì)及時(shí)把異常信息發(fā)送給它所保護(hù)的計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)，并由監(jiān)控軟件在相應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)出警告信息，提醒操作人員或局域網(wǎng)管理員及時(shí)處理，在UPS供電結(jié)束前，自動(dòng)中止計(jì)算機(jī)或局域網(wǎng)的遠(yuǎn)行，并將現(xiàn)場(chǎng)信息自動(dòng)存盤，通過Modem向相關(guān)人員發(fā)出E-mail等。
二、UPS高頻化
第一代UPS的功率開關(guān)為可控硅，第二代為功率晶體管，第三代為場(chǎng)控制型器件，（MOSFET和IGBT）。功率晶體管開關(guān)速度比可控硅高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET比功率晶體管又高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，而IGBT功率器件電流容量比MOSFET大的多，且導(dǎo)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(dá)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和精度大大提高。
三、UPS綠色化
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)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(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70％以上，隨著各種政策法規(guī)的出臺(tái)，對(duì)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(yīng)用了PWM高頻整流技術(shù)，這樣既可消除本身由于整流濾波電路產(chǎn)生的諧波電流，又可補(bǔ)償功率因數(shù)，使UPS的輸入功率因數(shù)達(dá)0.98以上。
四、大容量單機(jī)冗余化
由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(jī)內(nèi)冗余已出現(xiàn)。而大容量的UPS目前還必須通過并機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)。但這樣做又會(huì)使用戶投資太大。但毫無疑問，使用Internet技術(shù)監(jiān)控的UPS系統(tǒng)將成為未來UPS技術(shù)的主流之一。
五、UPS控制系統(tǒng)數(shù)字化
伴隨著數(shù)字革命席卷全球的背景下，且電源系統(tǒng)被越來越廣泛的使用，對(duì)其性能指標(biāo)的要求也越來越高。除了主功率拓?fù)湟酝?，UPS的控制部分對(duì)其整體性能的影響也是至關(guān)重要的，數(shù)字化控制技術(shù)是當(dāng)前UPS研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于DSP其強(qiáng)大的運(yùn)算功能，使得UPS的控制電路愈來愈簡(jiǎn)化，且各大院校紛紛加大了對(duì)其研究力度，近年來，比較成熟的技術(shù)論文也相繼出現(xiàn)。更值得一提的是，由于，簡(jiǎn)化了外圍電路，使得使用傳統(tǒng)單片機(jī)技術(shù)的并機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸——負(fù)載環(huán)流問題得以輕松解決。有相關(guān)報(bào)道，某國際著名UPS制造商，通過DSP技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出了無線并機(jī)系統(tǒng)。
5、結(jié)束語
本章只是對(duì)UPS的主要技術(shù)發(fā)展做了一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)束，并沒有對(duì)其技術(shù)做深入的工程推導(dǎo)。回顧UPS的發(fā)展歷史，可以看出，每一次UPS的技術(shù)革新都是通過電子元件的更新?lián)Q代而產(chǎn)生。
（轉(zhuǎn)載）
