科士达KSTAR UPS电源三进三出YDC3315/15KVA

UPS不间断电源选型1：不同类型的UPS系统

1.UPS不间断电源类型

目前有多种方法来设计UPS不间断电源系统，不同方法设计的UPS不间断电源系统有截然不同的性能特点。常用的设计方案如下所示：

离线式

在线互动式

离线式-铁磁共振式

双变换在线式

Delta转换在线式

离线式UPS

离线式UPS不间断电源是用于个人电脑的常见类型。在图A1所示的结构图中，转换开关设置为选择滤波后的交流输入作为主电源（图A1中的实线路径），一旦主电源出现故障，就会切换到电池/逆变器作为备用电源。一旦发生这种状况，转换开关必须进行操作将负载切换到电池/逆变器备用电源上（图A1的虚线路径）。逆变器只在电源出现故障时才启动，因此称为“离线式”。这种设计的主要优点是效率高，尺寸小和成本低。如果采用适宜的滤波电路和突波电路，这些系统还可以提供适当的噪音和突波抑制功能。

在线互动式UPS

图B1所示的在线互动式UPS适用于小企业、网站、部门伺服器的常见设计。在此设计方案中，电池到交流电源的转换器（逆变器）始终连接到UPS的输出端。如果输入交流电源正常时反向操作逆变器，就会给电池充电。

一旦输入电源出现故障，转换开关就会打开，并透过电池向UPS输出端供电。与离线式UPS拓扑结构相比，由于逆变器始终打开且与输出端保持连接，这种设计进一步增强了滤波效果，并降低了转换瞬间过载电压。

另外，在线互动式设计方案通常会加入一个分接头转换变压器。这样，当输入电压发生变化时，透过调整变压器分接头可以更好的调整电压。在电压较低的情况下，电压调节是一项重要功能，否则UPS将转换到电池并终无法供电。由于这种情况而频繁的使用电池可能会导致电池过早地损坏。然而也可以按如下方式设计逆变器，即当它出现故障时，仍然允许电源从交流输入流向输出，这样就消除了发生单点故障的可能性，并有效地提供两条独立的电源路径。在线互动式UPS的设计方案具有效率高、体积小、成本低和可靠性高的特点，并可校正过低或过高的市电电压，因此在功率范围0.5KVA-5KVA的应用领域占有优势。

离线式-铁磁共振式UPS

离线式-铁磁共振式UPS曾经是功率范围3-15KVA的应用领域中使用广泛的UPS类型。此设计依赖于一个特殊的饱和变压器，该变压器具有三个线圈（电源连接）。主电源路径透过交流电输入、转换开关和变压器，终连接输入端。当电源出现故障时，转换开关将打开，逆变器输出将向负载供电。

铁磁共振设计方案中，逆变器处于离线式模式，当输入电源出现故障且转换开关打开时，逆变器才被启动。这种变压器具有特殊的“铁磁共振”功能，它能够提供有限的电压调节和输出波形“修正”功能。铁磁共振变压器提供的对交流电源瞬时过载电压的保护与任何滤波器一样，甚至更好。但铁磁共振变压器本身会产生严重的输出电压失真和瞬时过载电压，这可能造成比交流电源连接不当更严重的后果。即使这种UPS被设计为离线式UPS,铁磁共振变压器也会由于其本身的低效率而产生大量的热量。另外，这些变压器比常规的隔离变压器体积大，因此离线式-铁磁共振式UPS通常非常庞大和笨重。

离线式-铁磁共振式UPS系统常被视为在线装置，即使该类设备具有转换开关，逆变器在离线式模式下工作，并且在交流电源出现故障时表现了转换特征。图C1说明了离线式-铁磁共振拓扑结构。

高可靠性和极好的线路滤波功能是这种设计的优势。但是，这种设计的效率非常低，而与某些发电机和新型的带功率因数校正的电脑一起使用时，还存在不稳定的问题，因此导致这种设计的普及性大大降低。

离线式-铁磁共振式UPS系统不在普遍使用的主要原因是在承载现代电脑电源负载时，这种系统很不稳定。所有大型伺服器和路由器均使用“功率因数校正”电源，这类电源从市电中只获取正弦波电流（非常类似于白炽灯泡）。获取这种平稳电流是透过电容器（“获得”适用电压的设备）实现的，铁磁共振UPS系统采用重型的铁芯变压器，这些变压器具有电感式特性，即电流“滞后于”电压。这两种装置组合起来形成了“储能”电路。储能电路中的共振可能会产生高电流，而这种电流会危及所连接的负载的安全。

双变换在线式UPS

这是1-10KVA及以上20KVA以内功率范围的电源常用的UPS类型，国产品牌直接跳过在线式互动式拓扑结构，20K主力机型全部为双变换在线式拓扑。图D1所示的双变换在线式UPS的结构中，除了主电源路径是逆变器（而非交流主电源）外，其余与离线式设计相同。

在双变换在线式设计中，输入交流电发生故障并不会启动转换开关，因为交流电一直再给备用电池充电，而由备用电池想输出逆变器供电。所以，在输入交流电源出现故障时，无需时间进行在线式运行状态转换。在这一设计中，整流器和逆变器将转换全部的负载功率。

这种UPS提供了非常理想的供电输出性能。但功率元件的持续工作，与其他设计方案相比，其降低了可靠性。此外，大型电池充电器获得的输入电源通常是非线性的，可能对建筑供电系统产生干扰或导致备用发电机发生事故。

Delta转换在线式UPS

图E1所示的UPS不间断电源拓扑是一种较新的设计，这种十年前引入的技术，它克服了双转换在线式设计的缺点，适用于功率范围5KVA到1.6MW的应用领域。与双变换在线式设计相似，Delta转换在线式UPS始终由逆变器提供负载电压。然而附加的Delta转换器也向逆变器输出供电。在交流电源出现故障或受到干扰的情况下，这种设计所表现出的行为与双变换在线式设计完全相同。

了解Delta转换拓扑功能结构能量效率的一种简单方法，是类似从大楼的第4层向第5层运送包裹时所需的能量，如图E2所示。Delta转换技术运送包裹所经过的路程只是起点与终点之间的差异量（Delta），因为大大节省了能量。双变换在线式UPS将交流电源转换为直流，然后又从直流电能转换为交流；而Delta转换器将功率差值从输入移到输出。

在Delta转换的在线式设计中，Delta转换器具有双重作用。个作用是控制输入电力特性。运行时，它的输入端获取的电力呈正弦波形，从而大程度的减少回馈到市电上的谐波。这就确保了市电和发电机系统的相容性，同时减少了配电系统中的发热和系统损耗。Delta转换器的第二个作用是控制输入电流来为电池系统充电提供控制。

Delta转换在线式UPS提供了与双转换在线式设计完全相同的输出特性。然而这两种设计的输入特性通常并不相同。Delta转换在线式设计提供了动态控制的、功率因数校正的输入，而不会出现传统解决方案低效利用的滤波器组的问题。它大的优点是能量损失大为降低。此外，输入功率控制功能也使得UPS能够与所有发电机组相容，从而减少对线缆和发电机的超选型。

Delta转换在线式技术是目前唯一一种受专利保护的核心UPS技术，因此大量的UPS供应商还无法应用该技术。

2.UPS不间断电源类型总结

下表介绍了不同UPS类型的部分特征。UPS的某些特性（如效率）是由客户选择的UPS类型决定的。由于技术应用和生产品质对于例等特性影响更大，如可靠性，因此，除了考虑这些设计特性之外，还必须对以下因素进行评估。

功率范围（KVA)

电压调节

功率成本

/VA

效率

逆变器是否始终运行

离线式

0.5-1.5

低

低

非常高

否

在线互动式

0.5-5

设计决定

中

非常高 设计决定

离线式-铁磁共振

3-15

高

高

低-中

否

双变换在线式

5-5000

高 中

低-中 是

Delta转换在线式

20-5000

高 中

高

是

3.各类型UPS不间断电源的应用场景

随着时间的推移，目前行业内的UPS产品逐渐包括上述各类型的设计。不同类型的UPS不间断电源具有不同的特性，这使得它们能够应用于不同的领域。施耐德电气旗下APC品牌的产品系列反映了这种多样性，如下表所示。能效也是UPS不间断电源设计方案中的一个重要考虑因素。举例来说，当前大多数UPS不间断电源不再像以往的设计一样采用内置变压器设计。这种变化使UPS不间断电源的效率升高，重量和体积下降，而且所需的原材料也大大降低。UPS不间断电源的节能运行模式也可以改善能效，但是需要权衡成本和收益之间的利弊。