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摘 要： 简单介绍UPS电源的工作原理，主要介绍UPS电源所采用的六种先进技术和提高UPS可靠性的三种方法。
关键词： UPS电源；绝缘栅双极型晶体管；可靠性
中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820082－01
1 UPS电源工作原理
UPS电源按输出波形可分为方波输出和正弦波输出两大类。按其操作方式可分为后备式和在线式。其中后备式UPS电源，在市电正常供电时，由市电直接向负载提供电源。当市电供电中断，蓄电池才对逆变器供电，并由UPS的逆变器对负载提供交流电源。即UPS电源的逆变器总是处于对负载提供后备供电状态。后备式UPS电源由于运行效率高，噪音低，价格相对便宜。
而对在线式的UPS电源来说，它平时是由交流电→整流→逆变器方式对负载提供交流电源，一旦市电中断时，UPS改由蓄电池→逆变器方式对负载提供电源。只有当蓄电池放电至终了电压时，由控制电路发出信号去控制自动切换开关，转换成由另一路交流旁路的市电供电。市电恢复供电后，UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。因此，在线式UPS电源，在正常情况下，总是由UPS电源的逆变器对负载供电，这就避免了所有由市电电网带来的任何电源波动及干扰对负载供电所产生的影响。显然，它的供电质量明显优于后备式UPS电源。在线式可以实现对负载的稳压、稳频供电。
2 UPS采用的先进技术
2.1 采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），作为逆变功率器件
其主要特点如下：1）大大降低了逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗；2）输出电压谐波含量大为减少（<1.5%），动态响应更好；3）逆变器可靠性进一步增加；4）整机体积小，噪音低；5）高可靠，长寿命。
2.2 微处理器数字化控制
控制系统采用先进的计算机数字控制技术及模拟量计算机控制技术，即通过主/协结构完成系统控制。
2.3 控制和诊断软件
控制软件实现各类信号的采集，处理运行状态的自动监测、调整以及管理功能。诊断软件是故障诊断的专家系统。UPS出现异常后，该系统能迅速对故障进行诊断，推理，判明故障部件，通过显示器（或灯光，声音）报告给使用者，以便维修。同时自动记录信息，生成信息档案。
2.4 高速数据处理结构
UPS控制系统中，采用计算机高速数据处理的主/协结构，增加数据采样点及数字控制诊断软件，高速A/D、D/A转换设计。
2.5 控制实施通道
目前UPS的硬件系统基本上是由整流器、逆变器、静态开关三大部分加上微机系统所组成，其数据采集是通过极为精确的霍尔器件，以及最新高速A/D转换器，将模拟信号转换成数字形式，最终纳入协处理器和主处理器通道。根据UPS功能和用户需要，这些信号将用来实现UPS控制，调整，监测和保护之目的。
2.6 电池自动测试与维护系统
蓄电池是UPS的贮能装置。由于电池故障引起UPS系统故障的比例较高，所以对蓄电池的测试及故障诊断，显得尤为重要。电池测试维护软件定期自动检测电池性能参数，使电池处于良好的工作状态。
3 提高UPS可靠性的几种方法
通常用两台或两台以上的单机，构成双机或多机UPS系统，提高电源供电的可靠性，使在单台UPS发生故障的同时，不会发生UPS中断供电的情况。下面几种连接方式，是目前常见的几种：
3.1 主/从串联热备方式
如图1所示。早期一般采用这种方式，它的特点是连接成本较低，技术简单，双机冗余提高了UPS电源供电系统的可靠性，但存在一些弱点：1）UPS本身发生故障时，可能无法切换而造成输出中断；2）切换瞬时输出出现间断；3）在供电系统中，增加了两个公共故障点；4）设备使用效率低；5）维修困难。
3.2 初级并联方式
初级并联方式是几台（一般两台）UPS共用一组静态旁路开关，同时增加并联柜以平衡负载电流方式实现并联。如图2所示。
为了提高供电系统可靠性，需要将UPS并联使用时，为确保各并联UPS之间输出参量的一致性，达到同步运行的目的，要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS切换的一致性，必须将原有的各静态线路开关拆除，共用一组静态开关。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下弱点：1）当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断；2）当平衡检测环节（即并联柜）出现故障时，各UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁；3）当负载为非线性负载时，有可能造成逆变器的烧毁。
3.3 高级并联方式
高级并联工作方式，如图3所示，是由并联通讯板实现的，工作方式相当于计算机的并行工作原理。其中一台主机为导航UPS，假设为1#机。整个并联系统由导航UPS发出脉冲控制所有并联的UPS工作（最多可并联6台），这时各UPS相应器件相当于并联工作。当导航UPS（1#机）出现故障或未开机时，2#机自动升为导航机，控制其它UPS，在1#机恢复正常后，又由其进行控制。而当其它UPS出现故障时，自动退出。这种连接方式优点是所有UPS均由一台UPS控制信号所控制，这样既可保证各UPS间输出参量及动态特性完全一致，又彻底解决了初级并联不可避免的内部环流问题，以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。由于这种并联通讯工作方式具有连接简单，可靠性高，动态性好等优点，已开始被广泛采用。但是此并联方法对UPS自身技术要求较高，有些UPS很难采用这种技术。
以上介绍了UPS的技术性能，分析了UPS的可靠性，目的在于掌握UPS的技术，更可靠地使用UPS电源，确保供电系统连续不间断地提供高质量的电源。
关键词： UPS电源；绝缘栅双极型晶体管；可靠性
中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0820082－01
1 UPS电源工作原理
UPS电源按输出波形可分为方波输出和正弦波输出两大类。按其操作方式可分为后备式和在线式。其中后备式UPS电源，在市电正常供电时，由市电直接向负载提供电源。当市电供电中断，蓄电池才对逆变器供电，并由UPS的逆变器对负载提供交流电源。即UPS电源的逆变器总是处于对负载提供后备供电状态。后备式UPS电源由于运行效率高，噪音低，价格相对便宜。
而对在线式的UPS电源来说，它平时是由交流电→整流→逆变器方式对负载提供交流电源，一旦市电中断时，UPS改由蓄电池→逆变器方式对负载提供电源。只有当蓄电池放电至终了电压时，由控制电路发出信号去控制自动切换开关，转换成由另一路交流旁路的市电供电。市电恢复供电后，UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。因此，在线式UPS电源，在正常情况下，总是由UPS电源的逆变器对负载供电，这就避免了所有由市电电网带来的任何电源波动及干扰对负载供电所产生的影响。显然，它的供电质量明显优于后备式UPS电源。在线式可以实现对负载的稳压、稳频供电。
2 UPS采用的先进技术
2.1 采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），作为逆变功率器件
其主要特点如下：1）大大降低了逆变器换流损耗以及交流滤波器的损耗；2）输出电压谐波含量大为减少（<1.5%），动态响应更好；3）逆变器可靠性进一步增加；4）整机体积小，噪音低；5）高可靠，长寿命。
2.2 微处理器数字化控制
控制系统采用先进的计算机数字控制技术及模拟量计算机控制技术，即通过主/协结构完成系统控制。
2.3 控制和诊断软件
控制软件实现各类信号的采集，处理运行状态的自动监测、调整以及管理功能。诊断软件是故障诊断的专家系统。UPS出现异常后，该系统能迅速对故障进行诊断，推理，判明故障部件，通过显示器（或灯光，声音）报告给使用者，以便维修。同时自动记录信息，生成信息档案。
2.4 高速数据处理结构
UPS控制系统中，采用计算机高速数据处理的主/协结构，增加数据采样点及数字控制诊断软件，高速A/D、D/A转换设计。
2.5 控制实施通道
目前UPS的硬件系统基本上是由整流器、逆变器、静态开关三大部分加上微机系统所组成，其数据采集是通过极为精确的霍尔器件，以及最新高速A/D转换器，将模拟信号转换成数字形式，最终纳入协处理器和主处理器通道。根据UPS功能和用户需要，这些信号将用来实现UPS控制，调整，监测和保护之目的。
2.6 电池自动测试与维护系统
蓄电池是UPS的贮能装置。由于电池故障引起UPS系统故障的比例较高，所以对蓄电池的测试及故障诊断，显得尤为重要。电池测试维护软件定期自动检测电池性能参数，使电池处于良好的工作状态。
3 提高UPS可靠性的几种方法
通常用两台或两台以上的单机，构成双机或多机UPS系统，提高电源供电的可靠性，使在单台UPS发生故障的同时，不会发生UPS中断供电的情况。下面几种连接方式，是目前常见的几种：
3.1 主/从串联热备方式
如图1所示。早期一般采用这种方式，它的特点是连接成本较低，技术简单，双机冗余提高了UPS电源供电系统的可靠性，但存在一些弱点：1）UPS本身发生故障时，可能无法切换而造成输出中断；2）切换瞬时输出出现间断；3）在供电系统中，增加了两个公共故障点；4）设备使用效率低；5）维修困难。
3.2 初级并联方式
初级并联方式是几台（一般两台）UPS共用一组静态旁路开关，同时增加并联柜以平衡负载电流方式实现并联。如图2所示。
为了提高供电系统可靠性，需要将UPS并联使用时，为确保各并联UPS之间输出参量的一致性，达到同步运行的目的，要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS切换的一致性，必须将原有的各静态线路开关拆除，共用一组静态开关。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下弱点：1）当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断；2）当平衡检测环节（即并联柜）出现故障时，各UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁；3）当负载为非线性负载时，有可能造成逆变器的烧毁。
3.3 高级并联方式
高级并联工作方式，如图3所示，是由并联通讯板实现的，工作方式相当于计算机的并行工作原理。其中一台主机为导航UPS，假设为1#机。整个并联系统由导航UPS发出脉冲控制所有并联的UPS工作（最多可并联6台），这时各UPS相应器件相当于并联工作。当导航UPS（1#机）出现故障或未开机时，2#机自动升为导航机，控制其它UPS，在1#机恢复正常后，又由其进行控制。而当其它UPS出现故障时，自动退出。这种连接方式优点是所有UPS均由一台UPS控制信号所控制，这样既可保证各UPS间输出参量及动态特性完全一致，又彻底解决了初级并联不可避免的内部环流问题，以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。由于这种并联通讯工作方式具有连接简单，可靠性高，动态性好等优点，已开始被广泛采用。但是此并联方法对UPS自身技术要求较高，有些UPS很难采用这种技术。
以上介绍了UPS的技术性能，分析了UPS的可靠性，目的在于掌握UPS的技术，更可靠地使用UPS电源，确保供电系统连续不间断地提供高质量的电源。