摘要：伴隨著信息時代的到來及各種信息系統(tǒng)在各個領域的廣泛應用，計算機數(shù)據(jù)信息的安全穩(wěn)定顯得越發(fā)重要。UPS作為直接影響計算機軟硬件能否安全運行的一個重要因素，電源質(zhì)量的穩(wěn)定性成為工業(yè)、學校尤其是金融業(yè)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(fā)展，是當今信息社會高速發(fā)展的需求。當今，UPS以確保系統(tǒng)具有“高穩(wěn)定性”以及“高可用性”作為其保護重點。
　　
　　1、引言
　　歷史上的不間斷電源，是伴隨著計算機的出現(xiàn)而誕生的，由于當時，數(shù)據(jù)的輸入非常復雜：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輸入到計算機。萬一在計算機工作中斷電，整個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xù)維持供電5秒，將現(xiàn)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(xù)運行下去。早期的UPS于上世紀90年代開始成規(guī)模，主要用于給服務器、計算機系統(tǒng)或其他電力電子提供不間斷的電力供應。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從計算機外圍設備，一個不受重視的角色迅速發(fā)展成為互聯(lián)網(wǎng)的關鍵設備及電子商務的保衛(wèi)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(fā)展歷程
　　自上世紀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，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(jīng)使用飛輪和內(nèi)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(fā)電機等組成。在電網(wǎng)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?guī)Оl(fā)電機為負載供電。由于飛輪的慣性作用，發(fā)電機轉速可以保持均衡，此時不間斷電源起過濾電網(wǎng)干擾的作用。當電網(wǎng)斷電后，飛輪繼續(xù)帶動發(fā)電機的轉子旋轉，同時啟動柴油機帶動發(fā)電機發(fā)電，替代原有電網(wǎng)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(fā)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(fā)電機和大飛輪。數(shù)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(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護設備。當市電正常時，UPS將市電穩(wěn)壓后給負載提供穩(wěn)定的電源，同時，給蓄電池充電把能量儲存在電池內(nèi)。當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(tài)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(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)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(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，諧波治理勢在必行。
　　  UPS產(chǎn)生諧波的特點
       現(xiàn)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：
　?。?） 對于理想的P脈沖整流器,在交流側只有下列次數(shù)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;
　?。?） 增加整流器的脈沖數(shù)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(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(chǎn)生諧波的特點相符,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(shù)做了專門的規(guī)定，比如：YD/D1095-2008(通信用不間斷電源) 1類標準規(guī)定FP（cosφ）≥0.95，2類標準FP（cosφ）≥0.90。
　　 12脈沖整流器的諧波分析
　　當然，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(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(shù)cosφ=(0.94)。
　　 高頻整流技術
　　雖然，12脈沖對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(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(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:在負載率為62.2%的情況下,其輸入電流總諧波畸變在10%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技術的發(fā)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(tǒng)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(guī)律的通斷，使電流按預期的途徑流通而實現(xiàn)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(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
      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基礎上，使輸出電壓脈沖在一個特定時間間隔內(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。隨著計算機技術和微處理器的發(fā)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(fā)展趨勢
　　一、UPS的智能化與網(wǎng)絡化
　　1. UPS的智能化
　　UPS的智能化包括系統(tǒng)運行狀態(tài)的自動識別和控制、系統(tǒng)故障的自我診斷、蓄電池自動監(jiān)測與管理、智能化內(nèi)部檢測與顯示等。UPS的異地遠程監(jiān)控將UPS系統(tǒng)作為網(wǎng)絡的一個節(jié)點，通過專用遠程監(jiān)控控制盤和RS-232/458通信接口與監(jiān)控PC機之間實現(xiàn)交互控制。
　　2. UPS的網(wǎng)絡化
　　UPS的網(wǎng)絡化有兩方面的含義。一是UPS及其監(jiān)控系統(tǒng)與所保護的負載——計算機或局域網(wǎng)的交互作用。當電源出現(xiàn)故障時。UPS內(nèi)部的微控制器會及時把異常信息發(fā)送給它所保護的計算機或局域網(wǎng)，并由監(jiān)控軟件在相應計算機發(fā)出警告信息，提醒操作人員或局域網(wǎng)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(wǎng)的遠行，并將現(xiàn)場信息自動存盤，通過Modem向相關人員發(fā)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(shù)量級，場效應管MOSFET比功率晶體管又高出一個數(shù)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(tài)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(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)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(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，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(chǎn)生的諧波電流，又可補償功率因數(shù)，使UPS的輸入功率因數(shù)達0.98以上。
　　四、大容量單機冗余化
　　由于網(wǎng)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(nèi)冗余已出現(xiàn)。而大容量的UPS目前還必須通過并機的方法實現(xiàn)。但這樣做又會使用戶投資太大。但毫無疑問，使用Internet技術監(jiān)控的UPS系統(tǒng)將成為未來UPS技術的主流之一。
　　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(shù)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(xiàn)。更值得一提的是，由于，簡化了外圍電路，使得使用傳統(tǒng)單片機技術的并機系統(tǒng)的技術瓶頸——負載環(huán)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(jīng)開發(fā)出了無線并機系統(tǒng)。

　　5、結束語
　　本章只是對UPS的主要技術發(fā)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?；仡橴PS的發(fā)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?lián)Q代而產(chǎn)生。

（轉載）