0 引言

　　市電并不是穩(wěn)定的,，它存在著很多電能質(zhì)量問(wèn)題，例如電壓浪涌、高壓尖脈沖,、暫態(tài)過(guò)電壓,、電壓下陷、線路噪聲,、頻率偏移,、持續(xù)低電壓、供電中斷等,。這些質(zhì)量問(wèn)題既可以引起計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)鎖定,、硬件老化等相對(duì)較輕的不良影響，也可以導(dǎo)致數(shù)據(jù)完全丟失或主板燒毀等較大的事故,。所以計(jì)算機(jī)必須采用UPS供電,。UPS可以改善市電的供電質(zhì)量，保護(hù)計(jì)算機(jī)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,。

　　UPS是專門(mén)為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一種不間斷電源,，UPS離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)也離不開(kāi)UPS,。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,，使得UPS也得到了廣泛的應(yīng)用。

　　對(duì)于UPS,，按其輸出電壓波形的不同,，可以分為交流UPS(AC UPS)和直流UPS(DC UPS)，對(duì)于像計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)等直流用電負(fù)載而言,，從供電的可靠性,、安全性和運(yùn)行效率來(lái)說(shuō)，直流UPS比交流UPS具有更突出的優(yōu)點(diǎn),，諸如電路簡(jiǎn)單,、所用元器件少、成本低廉,、功耗小,、體積重量小、可靠性高,、擴(kuò)容簡(jiǎn)單,、制造容易、維護(hù)方便等,。但直流UPS也存在著一些缺點(diǎn),，例如，不能通過(guò)工頻" title="工頻">工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源供電,，不能帶交流負(fù)載,，輸出的大功率直流電壓穩(wěn)壓困難,，直流電壓變化困難，市電與負(fù)載之間不能實(shí)現(xiàn)隔離等,。雖然直流UPS比交流UPS具有更多的優(yōu)點(diǎn),，但由于歷史原因和傳統(tǒng)觀念的影響，當(dāng)前應(yīng)用較多的仍然是交流UPS,，隨著汁算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的增多,，每個(gè)領(lǐng)域各有自己與眾不同的特點(diǎn)，因此對(duì)交流UPS的要求也各不相同,，而作為公共設(shè)備的交流UPS,，則必須具備所有這些功能：同時(shí)，即使對(duì)同一領(lǐng)域,，由于不斷發(fā)展的需要，對(duì)UPS的功能要求也越來(lái)越多,，這就使交流UPS的電路越來(lái)越復(fù)雜,，所用元器件越來(lái)越多，成本越來(lái)越大,，維護(hù)越來(lái)越復(fù)雜,，體積越來(lái)越大，可靠性越來(lái)越差,。為了提高UPS的可靠性,，又需增加各種保護(hù)電路或采用冗余并聯(lián)的工作方式。這種滾雪球式的發(fā)展方式,，導(dǎo)致交流UPS的生產(chǎn)維護(hù)技術(shù)的難度和售價(jià)指數(shù)增加,。這又使一般中小型用戶難以承受，嚴(yán)重影響了交流UPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,。當(dāng)這種矛盾發(fā)展到一定程度時(shí),，必然會(huì)引發(fā)一場(chǎng)UPS革命。

　　l 當(dāng)前UPS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與存在的問(wèn)題

　　當(dāng)前UPS電路的結(jié)構(gòu)形式,，是由上世紀(jì)70年代UPS開(kāi)發(fā)的初期決定的,。那時(shí)的計(jì)算機(jī)采用的是以工頻變壓器為依托的線性電源，同時(shí)又由于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的存在,，因此早期的UPS主要目的是保持工頻交流不中斷一為了達(dá)到這個(gè)目的就必須進(jìn)行逆變,，于是逆變器就成了UPS中的核心部件。UPS性能的改善和功能的提高,，都集中表現(xiàn)在逆變器上,，因此大家都圍繞著逆變器大做文章，使逆變器成為UPS中電路最復(fù)雜,，工藝最復(fù)雜,，元器件用得最多，要求又最嚴(yán)格、設(shè)計(jì)制造最困難．體積最大,、造價(jià)最高的部件,，它占去了UPS整機(jī)成本、體積,、重量和功耗的90%以上,，成為UPS技術(shù)、功能和制造維護(hù)的難點(diǎn)集中地,，當(dāng)然也是UPS故障最多,、可靠性最差的地方。因此,，對(duì)UPS革命自然而然地應(yīng)從逆變器人手,。也就是說(shuō)要取消逆變器，只有這樣才是對(duì)UPS最徹底的革命,。但去掉逆變器在開(kāi)關(guān)電源" title="開(kāi)關(guān)電源">開(kāi)關(guān)電源未普及之前決非易事,，它有三大難點(diǎn)不能解決： 一是直流電壓不能通過(guò)工頻變壓器向線性穩(wěn)壓電源輸送電能，亦即不能實(shí)現(xiàn)不問(wèn)斷供電,；二是大功率直流穩(wěn)壓困難,，計(jì)算機(jī)的多種低壓直流電源采用直流變壓困難；三是市電與計(jì)算機(jī)的電隔離困難,。

　　高頻開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)與廣泛應(yīng)用,，為解決上述三大難點(diǎn)創(chuàng)造了條件。高頻開(kāi)關(guān)電源萌芽于20世紀(jì)50年代,，到20世紀(jì)70年代完成了20 kHzPWM開(kāi)關(guān)電源樣機(jī),，被稱作“20 kHz革命”，是直流穩(wěn)壓電源發(fā)展史上的一個(gè)巨大飛躍,。到20世紀(jì)術(shù)高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)非常成熟,，并得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在計(jì)算機(jī)電源中的應(yīng)用,，為UPS取消逆變器創(chuàng)造了條件,，因?yàn)樗鉀Q了直流蓄電池電壓的穩(wěn)壓、變壓和市電與計(jì)算機(jī)之間的隔離問(wèn)題,。

　　為了減小低壓大電流時(shí)的線路壓降,，減小電源故障的影響范圍，提高供電的可靠性,，一般在小型計(jì)算機(jī)中都裝有高頻開(kāi)關(guān)電源,。這些開(kāi)關(guān)電源的具體線路可能不完全相同，但其基本結(jié)構(gòu)與組成部分足大致一樣的,。當(dāng)前,，ATX電源已取代早期的AT電源應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中,，其原理電路如圖l所示。它主要是由抗干擾濾波,、市電側(cè)整流和平滑濾波3種電路組成的市電側(cè)整流濾波電路" title="整流濾波電路">整流濾波電路,，以及由高頻逆變、高頻變壓隔離,、高頻整流,、高頻濾波及控制電路組成的DC／DC變換器兩部分組成的。輸出的低壓直流電壓為±12V,，±5V,，3．3 V，以供計(jì)算機(jī)內(nèi)部電路使用,。一般高頻開(kāi)關(guān)電源允許輸入電壓的變化范圍為交流工頻165～275 V,，直流233 4～388．9 V，輸出電壓精度為O 6％～1％,。

　　從圖l所示的原理框圖可知,，ATX開(kāi)關(guān)電源所具有的3種功能對(duì)取消UPS中的逆變器是十分有用的：一是可以輸入工頻交流電壓，也可以輸入233 4～388.9V直流電壓,，以保持直流輸出電壓基本不變；二是ATX中的DC／DC變換器具有直流穩(wěn)壓和變壓的功能,； 三是高頻變壓隔離器中的變壓器具有隔離作用,。這3種功能滿足了計(jì)算機(jī)對(duì)UPS的要求，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輸入電源的交直兼容,，使計(jì)算機(jī)不再一定非要輸入220 V工頻電壓,。

　　2 UPS的改革方案和工作原理

　　如前所述，逆變器是決定傳統(tǒng)交流UPS性能和質(zhì)量的核心部件,，對(duì)UPS革命的目的就是去掉逆變器,，以降低UPS的成本，提高效率,，減小生產(chǎn)難度,，減小體積重量、簡(jiǎn)化操作維護(hù),，減小故障率,，提高可靠性，因此,，去掉逆變器的無(wú)逆變器UPS將是一種比較好的新型UPS方案,。

　　一臺(tái)單相交流UPS向一臺(tái)計(jì)算機(jī)供電的原理電路如圖2所示，圖2中的左側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路為傳統(tǒng)交流UPS,，它包括整流器,、蓄電池和逆變器,；圖2中的右側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路，為計(jì)算機(jī)中的ATX開(kāi)天電源,，它包括抗干擾電路,、市電側(cè)整流濾波電路和DC／DC變換電路。在圖2左側(cè)的傳統(tǒng)交流UPS電路中,，市電220 V交流電壓經(jīng)過(guò)無(wú)仃何升,、降壓功能的橋式整流器，整流成+300V向蓄電池進(jìn)行浮充電,，蓄電池上的+．300V直流電壓再經(jīng)過(guò)逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計(jì)算機(jī)供電,。在圖2右側(cè)的汁算機(jī)ATX開(kāi)關(guān)電源中，“市電側(cè)整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成+300 V直流電壓,，而后再由ATX中的DC／DC變換器將+300 V直流電壓變換成±12 V,，±5V和3．3 V的直流電壓向計(jì)算機(jī)供電，由圖2可以看出,，左側(cè)UPS中的整流器輸出的直流電壓,，與右側(cè)ATX中“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓都是+300 V，是相同的,。這就說(shuō)明逆變器將蓄電池電壓+300V再逆變成220V工頻足多余的,。因此可以將UPS中的逆變器去掉，并直接將蓄電池的+300V直流電壓,，通過(guò)汁算機(jī)中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計(jì)算機(jī)供電,，如圖3所示。要作到這一點(diǎn)．LPS中的整流器必須采用直接整流的方式,，而不能帶任何的升降壓功能,。

　　將圖2所示的供電電路去掉逆變器以后就變成了如圖4所示的無(wú)逆變器UPS向計(jì)算機(jī)供電的電路，此時(shí)無(wú)逆變器UPS相當(dāng)于一個(gè)具有交流旁路的直流UPS,。此時(shí)UPS的工作方式是由市電,、整流器與蓄電池組成的直流UPS通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2向計(jì)算機(jī)不間斷供電，當(dāng)直流UPS需要檢修或出現(xiàn)故障時(shí),，由市電通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)(靜態(tài)開(kāi)關(guān)1)向計(jì)算機(jī)供電,。

　　比較圖2和圖4可知，去掉逆變器以后使UPS電路得到了很大的簡(jiǎn)化,，保剩下r整流器,、蓄電池及靜態(tài)開(kāi)關(guān)，這時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2變成了只用一個(gè)SCR的直流開(kāi)關(guān),。

　　由圖4左側(cè)所示的單相無(wú)逆變器UPS電路組成的三相無(wú)逆變器UPS電路如圖5所示,，其工作原理與工作方式與圖4所示單相電路相同。

　　3 無(wú)逆變器UPS的兩種工作模式

　　無(wú)逆變器UPS的工作模式有兩種：一種是后備式工作模式,，另一種是在線式" title="在線式">在線式工作模式,。

　　3．1 后備式工作模式

　　單相無(wú)逆變器UPS向計(jì)算機(jī)供電的原理電路如圖4所示,。當(dāng)工作在后備模式時(shí)，在市電中斷或在恢復(fù)過(guò)程中,，作為后備式UPS負(fù)載中的ATX開(kāi)關(guān)電源,，其“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出電壓uh及電流iR的波形如圖6所示。圖6中t1之前由市電供電,；t1時(shí)刻市電斷電,；t1～t2期間ATX開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的儲(chǔ)能電容放電以維護(hù)計(jì)算機(jī)的工作；t2時(shí)刻由UPS中的蓄電池供電,；t3時(shí)刻市電恢復(fù),。

　　3.2在線式工作模式

　　如圖4所示，對(duì)于在線工作模式,，在UPS處于市電旁路供電狀態(tài)時(shí)(如檢修整流器或蓄電池時(shí)),，以及之后又恢復(fù)直流供電時(shí)，作為在線式UPS負(fù)載的ATX開(kāi)關(guān)電源,，其“市電側(cè)整流濾波電路”輸出端的電壓uR及電流iR的波形如圖7所示,。圖7中t1之前由在線式UPS直流供電；t1一時(shí)刻轉(zhuǎn)入市電旁路供電,；t1～t2期間由市電旁路供電,；t2～t3期間由ATX開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容放電維持計(jì)算機(jī)工作，UPS中的蓄電池沒(méi)有直流電流輸出,，t3時(shí)刻UPS恢復(fù)直流供電,。

　　3.3 靜杰開(kāi)關(guān)l和2之間的切換

　　3.3.1 由市電旁路供電到蓄電池直流供電的切換

　　當(dāng)市電掉電時(shí)，隨著靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)關(guān)斷的同時(shí),，關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)l的觸發(fā)脈沖，并對(duì)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2進(jìn)行觸發(fā)．使其被觸發(fā)導(dǎo)通,。

　　3.3．2 由直流供電到市電交流旁路供電的切換

　　如圖8所示,，首先關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖，當(dāng)市電電壓正半周到來(lái)的瞬間,，將靜態(tài)開(kāi)關(guān)l(旁路)觸發(fā)導(dǎo)通,，用市電電壓正半周的峰值(311 V)大于蓄電池電壓(+300V)的值來(lái)關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2。

　　4　無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)行

　　直流電壓的并聯(lián),，或在同一個(gè)市電電源下的交流并聯(lián),，是比較容易的。兩臺(tái)單相無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)工作的原理電路如圖9所示,。假定它們工作在在線模式,，靜態(tài)開(kāi)關(guān)1(旁路)處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)兩組蓄電池的電壓UB1和UB2相同時(shí),，即UB1-UB2時(shí),，兩臺(tái)UPS并聯(lián)后它們將共同平均分配同一個(gè)負(fù)載,。如果兩組蓄電池被充的電壓不相同時(shí)，例如UB2

　　如果市電電源中斷,，則這些并聯(lián)的UPS不論其蓄電池容量大小,，充電的程度如何，仍然可以自動(dòng)地同步到放電終了的狀態(tài),。

　　無(wú)逆變器UPS能夠具有如此良好的并聯(lián)特件．豐要得希于如下3點(diǎn),。

　　1)不存在頻率、相位不一致的問(wèn)題,；

　　2)極佳的電流峰值九,，易于實(shí)現(xiàn)不同容量、不同充電程度的無(wú)逆變器UPS進(jìn)行并聯(lián),，對(duì)負(fù)載具有極好的積壓適應(yīng)能力,；

　　3)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2中的晶閘管杜絕了“環(huán)流”現(xiàn)象的發(fā)生，即不會(huì)出現(xiàn)電壓高,、容量大的UPS向電壓低,、容量小的UPS饋電。

　　5 無(wú)逆變器UPS的另外兩種方案

　　5.l 采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的UPS

　　采用兩組蓄電池及單管半波整流充電的無(wú)逆變器uPs的電路,，如圖10及圖11所示,。其中圖lO是單相電路，圖1l是三相電路,，它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同,，這里不再贅述。這種無(wú)逆變器UPS的特點(diǎn),，一是采用了兩組蓄電池及單管半波整流充電,，二是有兩組輸出，每組對(duì)應(yīng)于一組蓄電池,。兩組輸出A和B既可以單獨(dú)使用,，也可以同時(shí)使用,。同時(shí)使用時(shí)就將單管半波整流，變成了單管全波整流,，有利于提高市電輸入功率因數(shù),。

　　5.2 采用直流旁路的無(wú)逆變器UPS電路

　　采用直流旁路的無(wú)逆變器UPS的電路，如圖12和圖13所示,。其中圖12是單相電路,，圖13是三相電路。它們的工作原理和工作方式與圖4和圖5相同,，不再贅述,。這種UPS的特點(diǎn)是采用了直流旁路。旁路的直流電壓為+300 V,，蓄電池的直流電壓為+252 V,。當(dāng)由蓄電池供電切換到直流旁路供電時(shí)，先關(guān)斷靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的觸發(fā)脈沖,，然后再觸發(fā)導(dǎo)通靜態(tài)開(kāi)關(guān)l,，用旁路開(kāi)關(guān)的直流電壓大于蓄電池的直流電壓使靜態(tài)開(kāi)關(guān)2關(guān)閉，如圖14所示,。這樣將使切換控制電路更簡(jiǎn)單,，省去了市電電壓正半周的檢測(cè)電路。

　　多臺(tái)采用直流旁路無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)行原理和工作過(guò)程與圖9所示多臺(tái)無(wú)逆變器UPS的并聯(lián)運(yùn)行相同,，這罩不再贅述,。其原理電路如圖15所示。直流旁路的并聯(lián)和直流UPS的并聯(lián),，都變得極其簡(jiǎn)單和容易,，兩臺(tái)UPS之間由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)和靜態(tài)開(kāi)關(guān)2的存在，而不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流,。

　　6 取消逆變器的改革帶來(lái)的好處

　　傳統(tǒng)交流UPS,，取消逆變器以后將會(huì)帶來(lái)如下幾個(gè)方面的好處。

　　1)簡(jiǎn)化了電路,，提高了可靠性

　　——取消逆變器后，與之配套的相關(guān)電路也被取消了,；

　　——輸出電壓頻率,、相位的檢測(cè)和控制電路被取消了；

　　——為實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)而采用的各種監(jiān)控電路和鎖相電路被取消了,；

　　——隔離變壓器被取消了,。

　　2)降低了生產(chǎn)成本和研究費(fèi)用 逆變器是UPS中應(yīng)用元器件最多，對(duì)元器件要求最嚴(yán),，電路最復(fù)雜,，調(diào)試最困難的部件,，取消逆變器以后將使UPS的生產(chǎn)成本減少95％以上。

　　3)運(yùn)行成本大大減少假設(shè)逆變器及其相關(guān)電路的功耗占UPS輸出功率的10％,，以1OO KVA在線式交流UPS連續(xù)24小時(shí)開(kāi)機(jī)工作作為計(jì)算交流UPS等效使用量的計(jì)算單位,，按照表l估算，全國(guó)在線式交流UPS的等效使用量為1843個(gè)如表1所列,，據(jù)此計(jì)算全國(guó)每年用于交流UPS中逆變器的總功耗為

　　100 kVA×l 842×10％×24 h×365天

　　=1．6l×108kW·h

　　按工業(yè)用電每kW·h為O．662元計(jì)算,，則

　　O．662×1．61×108=l.07億元

　　這一估算表明，全國(guó)每年至少要拿出1億多元用在在線式交流UPS中的逆變器功耗上,。如果再考慮到逆變器功耗轉(zhuǎn)化成熱量,，為了降溫還要付出空調(diào)與風(fēng)機(jī)的用電費(fèi)以及這些降溫設(shè)備的折舊費(fèi)和維護(hù)費(fèi)，實(shí)際用去的費(fèi)用還要多,。

　　此外,，蓄電池的備用時(shí)間，也會(huì)因逆變器的功耗而減少lO％左右．

　　4)電流峰值系數(shù)大于6：1 電流峰值系數(shù),，是衡量UPS承受非線性負(fù)載的能力,，也代表了承受負(fù)載突變的能力，它定義為UPS輸出電流峰值與有效值的比值,。由于UPS取消了逆變器,，在它的輸出端有大容量的電解電容器及電阻極小的蓄電池，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)可以通過(guò)電容和蓄電池的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬間大電流輸出,，因此可以使峰值系數(shù)大大提高,。

　　5)多機(jī)并聯(lián)變得簡(jiǎn)單而容易

　　6)低污染 UPS最大的電污染源是逆變器．它工作在高壓大功率高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，取消了逆變器將使UPS的污染減小到最低,。

　　7)提高了經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益降低了生產(chǎn)成本和維護(hù)成本,，減少了故障率，減少了體積重量,，減少了功耗,，使一般中小型工廠都能制造，一般中小型用戶都能買(mǎi)得起,，使UPS能更進(jìn)一步推廣應(yīng)用,，同時(shí)也節(jié)省了能源與原材料，因此具有較大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益,。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　傳統(tǒng)交流UPS,，由于它的電路復(fù)雜，制造困難,，價(jià)格昂貴而影響了它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,。為了消除這個(gè)障礙，必然會(huì)引發(fā)一場(chǎng)UPS革命。高頻開(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)中的廣泛應(yīng)用,，為這場(chǎng)革命創(chuàng)造了條件,。荸命的中心目標(biāo)是取消UPS中的逆變器，在交流UPS中取消逆變器町以得到巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,，可以使UPS的成本,、體積、重量和功耗減少90％以上,，成為可以使中小型工廠都能生產(chǎn),，成為中小型用戶都能買(mǎi)得起UPS，用得起UPS,，為UPS的進(jìn)一步推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件,。