13.3 UPS 工作原理使用与维修
13.3.1 UPS 设备概述
随着计算机的普及信息处理技术的不断发展， 计算机。为了保证计算机的正确、安全运行，
当今在通讯系统， 信息处理系统， 自动控
许多部门都已普及应用了
Uninterruptible
Power
制系统，交通管理系统， 医用控制系统及航空航天、气象金融等。 UPS 就是针对这一要求而设计发展普及起来的一种供电系统（ System）称为“不间断电源系统”或“不停电供电系统”简称
我们对供电电源提出了越来越严格的要求，而
UPS。现在不间断电源，在计
算机的外围设备中已经从一个不是很受重视的角色迅速演变成为互联网的关键设备及电子 商务的保卫者。 UPS 作为信息社会的基石，已开始了它新的历史使命，随着国际互联网时代的到来， 对电力供电质量提出了越来越高的要求， 当市电供电出现以下供电质量问题时：
无论是整个网络的设备还是数据传输途
径给以端到端的全面保护，都要求配备高质量的不间断电源。
（ 1）电涌。（ 2）高压尖峰。（ 3）暂态过压。（ 4）电压
下陷。（ 5）线路燥声。（ 6）频率偏移。（ 7）持续低压。（ 8）市电中断。 UPS 将确保输出以稳定、纯净，不间断的正弦波交流电压，从而使微机系统正常工作。
13.3.2 UPS 基本分类及技术特点
为解决电网存在一质量问题，人们研制出不同类型的 一．后备式。
二．在线互动式。
三．双变换在线式。
UPS。尽管 UPS 可按不同方式分四．双变换电压补偿在线式（略） 。
类，但从 UPS 的电路结构和不间断的供电的方式来看，主要有以下四大类：
1、后备式（图 13-7）
自动稳压器
Input
充电器
AC DC 逆变器
转换开关
Ou tput
图 13-7 后备式
它是静止式 UPS 的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只用于小功率范围。电路简单，价格低廉。
功能部件
（ 1）充电器：市电存在时，通过整流对蓄电池进行浮充充电；如果要求长延时，除了增加蓄电池容量之外，还需相应地加强充电能力和逆变器的散热措施。
（ 2）逆变器：市电存在时，逆变器不工作，也不输出功率，当市电掉电时，则由逆变 器向负载供电，电压波形有方波、准方波、正弦波等。
（ 3）输出转换开关：市电存在时，接通市电向负载供电；市电掉电时，断开市电通路， 接通逆变器，继续向负载供电。
（ 4）自动稳压：市电存在时，可粗略稳压及吸收部分电网干扰。性能特点
当市电存在时市电利用率高，可达成
98%以上。
输出功率因数、 过载等没有严格的限
输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。 输出能力强，对负载电流小组峰因数、浪涌系数、 制。
输出电压稳定度、精度均差，但能满足一般要求。当市电掉电时转换时间一般为
4-10ms。
UPS 多在 2kVA 以下。
输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制，一般后备式 1、 在线互动式（图 13-8） “在线”在含义是逆变器工作，
但不输出功率，处于热备份状态，
同时兼顾对蓄电池充
电，增大了 UPS 在市电正常时的功率容量，并且减少了市电掉电时的转奂时间，提高了输出电压的滤波作用，它属于并联功率调整方式，输出功率多在 功能部件
5kVA 以下。
Input
输入开关
Output
自动稳压器
AC
DC
------------
器
双 向 逆 变
图 13-8 在线互动式
输入开关：市电掉电时，自动断开输入开关，防止敦变器向电网反馈电。自动稳压器：市电存在时，可粗略稳压及吸收部分电网干扰。
逆变器：此敦变器具有双向变换功能，当市电存在时为整流器，给蓄电池浮置充电；当市电掉电时为逆变器，由电池供电，保持
UPS 继续输出供电。
性能特点
（ 1）当市电存在时 市电利用率高，可达成
98%以上。
输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。
输出能力强， 对负载电流波峰因数、 浪涌系数、 输出功率因数、 过载等没有严格的限制。输出电压稳定度、精度均差，但满足一般要求。
变换器直接接在输出端，并处于热备份状态，对输出电压尖峰干扰有抑制作用。
（ 2）当市电掉电时
因为输入开关存在断开时间，致使
UPS 输出仍有转换时间，但比后备式要小得多。
电路简单、成本低、市电供电时可靠性高。 变换器同时具有充电功能，且其充电能力很强。
如在输入开关与自动稳压器之间串接一电感， 当市电掉电时， 逆变器可立即向负载供电，
UPS 的输
可避免输入开关未断开时，逆变器反馈到电网而出现短路的危险。
这样可使在线互动式的转换时间减少到零，并增加抗干扰能力，但却降低了 出功率因数。
3、双变换在线式（图 Input
13-9 ）
静态开关
AC
AC AC
Output
AC
DC DC AC
图 13-9 双变换在线式
传统双变换在线式，特别是大功率 率传输方式。
UPS，目前扔多采用这种电路结构，它属于串联功
功能部件
（ 1）整流器：当市电存在时，实现 DC — AC 转换功能，一方面向 DC — AC 逆变器提供能量，同时还向蓄电池充电。该整流器多为可控硅整流器，但也有 变换新一代整流器。
（ 2）逆变器：完成 DC — AC 转换功能，向输出端提供高质量电能，无论由市电供电或转由电池供电，其转换时间为零。
（ 3）静态开关：当逆变器过载或发生故障时，逆变器停止输出，静态开关自动转换， 由市电直接向负载供电。静态开半为智能型大功率无触点开关，转换时间可认为零。 性能特点
不管有无市电，负载的全部功率都由逆变器提供，保证高质量的电力输出。市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间。 由于全部负载功率都由逆变器负担，因而
UPS 的输出能力不理想，对负载提出限制条
件，如负载电流峰值因数，过载能力，输出功率因数等。
对可控整流器还存在输入功率因数低， 无功损耗大， 输入谐和波电流对电网产生极大的污染等缺点。当然，若使用 到 0.95 左右。
在市电存在时，串联式的两个变换都承担
100%的负载功率，所以 UPS 总效率 80%
为 85～ 90% 可 达 90～ 92%
UPS 整机效率较低：
IGBT-PWM-DSP 整流技术或功率因数校正技术，可把输入功率
3% 以下。但 12 脉冲整流只能将输入功率因数做
提高到接近 1，输入谐波电流也将降到〈
IGBT-PWM-DSP 高 频
UPS 功率 〈10kVA 10～ 100kV A >100kVA
为了提高双变换在线式
UPS 在市电存在时的节能及运行可靠性，近来有人提出在线式
UPS 设
UPS 的后备运行设想和技术，在电网电压条件较好的地方，在输入电压处于某一种范围内 时（可自行设置） ，当 UPS 本身配置很强的抗干扰电路功能时，通过智能开关，把
置在后备式运行， 逆变器空载热备份， 对于要求供电质量并不十分苛刻的用户， 种可行的方案。
高输入功率因数双变换在线式
这可能是一
UPS 有很大的节以效果，因为当今应用的负载几乎全为非
其输入非正弦峰值电流很大，
造成很大的输入无
机时
UPS，其输入非正弦峰值电流也将很大，
UPS 却能通
线性负载， 如果负载直接接入电网供电， 也会造成很大的输入无功损耗，
功损耗。当然接入低输入功率因数双变换在线式
只不过前者是右面线性负载直接消耗电网的无功功率，
后者却是通过 UPS 来消耗电网的无功功率， 但高输入功率因数在双变换在线式 过能量变换关系， 把非线性负载引起的无功损耗降至最低， 式 UPS 具有节能效果，这是后备式、在线互动式望尘莫及的。
因而高输入功率因数双变换在线
表 13－ 2 不同电路结构 UPS 对电网的适应能力
UPS 电路结构 电网质量电压浪涌 power surges 高压尖脉冲 High voltage spikes 暂 态 过 压
Switching transients 电压下陷 Power sage 线 路 噪 声 Electrieal line noise 频率偏移
Frequency variation 持续低压brwnout 市电中断 Power fail UPS 技术：
后备式 UPS
无法解决 无法解决 无法解决 有限解决 有限解决 无法解决 完全解决 完全解决
在线互动式 有限解决 有限解决 有限解决 有限解决 有限解决 无法解决 完全解决 完全解决
双变换在线式 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决
双变换电压 补偿式 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决 完全解决
本公司经营理念以 “技术” 为第一位， 集高频化， PFC（功率因数校正） 电脑）控制为一体，专案设计出 输入电压及超大功率充电的
1-3KV A SP 系列高频化智能超小型 5-10KV A AP 系列加强型 UPS。
旁
I / P
滤波
PFC 整流
路
逆变
滤波
技术、 CPU（微
UPS，设计出具有超宽
O/P
充 电 Booster DC/DC
图 13-10 捷力 UPS 基本框图
由在线式 UPS 架构可知，过去常采用的低频式架构中，内含低频的输入和输出变压器体积大、重量重、噪声大、效率低，使得 的存在相当于一电感惯性环节使 去掉了笨重的低频输入、
UPS 不仅外观笨重而且造价昂贵，且输出变压器
UPS
使其体积及重量减低，节省材
UPS 输出动态性受到一定影响。 而采用高频化抽设计的
UPS 设计成模组化结构，可靠性获得提升，更符合电
UPS 相比，以 1KV A 高频机为例，其体积、重量
输出充压器，使用磁芯高频变压器，
料成本，提升整机动态性能，更可使 脑轻、薄、短、小的趋势。与传统的低频 分别降为原来的 40%、50%。
由以上比较可知：高频化技术的应用使产品将更小、更安静、更有效率、更为可靠，这 也是 UPS 的必然发展方向。高频 频 UPS 的生存空间，而日本更早于
UPS 是“更好、更便宜”的机型，无怪乎欧美市场已无低 7、8 年前就已走上这条路了。事实上高频
UPS 市场。
UPS 已是欧、
美、日先进国家的市场主流，我们深信这股潮流很快会席卷中国 捷力 SP 系列 UPS 是公司开发的第二代全高频化 界 UPS 发展趋势所设计的集高频化、 大陆市场提供第二代高频化
UPS，这是公司根据所掌握的先进技术及世
PFC、CPU 于一体的 UPS，也是来自台湾的第一家向
UPS 的企业。时值一年，行销数千台，已证实了产品在大陆市场
的优越性及广大客户对产品的认可和信赖。同第一代高频机相比，最主要的改革有二点： （1）采用 PFC 技术的 SPWM 整流电路取代原二极管地中流电路，降低对电网污染提升输 入功率因数。（ 2）电路在市电供电时省去一功率变换环节（ 率更高、更可靠。
可以计算其效率如下：
第一代：整机效率 =整流效率× Booster 效率×逆变效率第二代：整机效率 =整流效率×逆变效率
在 96 年末， 可以看到各 UPS 制造商开始转向第二代高频机， 市场 1 年，其制造工艺技术更趋完善，可靠性更高。
需要说明的是目前还有一种所谓半高频机，它实质是整流及电池部分采用第一代高频机架 构，逆变仍用原低频机架构， 它也必然继承了第一代高频机整流电路及低频机逆变电路不足， 作为由低频架构向高频回构的一种过渡而最终会被淘汰。 PFC——符合绿色电力环保要求，拓展了输入电压范围
PFC（ Power Factor Correction ）技术是为了改善以往传统整流电路的低功率因数，会从 电网吸取峰值电流设计， 由于电脑显示器、打印机等设备，开关整流电源被广泛采用， 使得功率消耗都集中于峰值处，结果造成市电波严重失真，干扰市电电网上的其它用电设备。 我们把传统整流电路及
PFC 整流电路的架构及波形作一比较。
而捷力二代机已进入大陆 Booster）使交流供电时 UPS 效
图 13－ 11 传统整流与 PFC 整流比较电路图
由以上比较可知传统整流电路从电网吸取的尖峰电流大，使得配线容量加大，而采用 PFC 整流，此现象则可彻底改善。这一技术的实质是通过功率管 的电流的大小市电电压瞬时值大小的变化而同步变化， 们以 3000VA 为例来计算所需要的配电容量。
无 PFC 的 UPS：输入电流有效值 Irms= 容量 3000VA×输出功率因数 0.7÷效率 0.8÷输入功率因数 0.7÷输入电压 220V=17A 输入电流峰值 Ip=Irms ×2 .8=47.6A
有 PFC 的 UPS：输入电流有效值 Irms= 容量 3000VA×输出功率因数 0.7÷效率 0.7÷输入功 率因数 0.97÷输入电压 220V=12.3A 输入电流峰值 Ip=12.3 ×1.414=17.4A
显然采用 PFC 整流电路后 UPS 从电网吸取的峰值电流及功率大大降低， 电网的污染， 更重要的是 UPS 随着电网输入电压的降低其输入电流将增大， 则在电网电压降至
160V 时，其输入电流有效值变为
避 免 了 UPS 对若无 PFC 技术，
Q 的开关作用使电感 L 中
从而在输入端得到一正弦波电流。 我
23.4A，峰值变为 65 .6A ，显然，很难
使 UPS 在这种电压下运行（因为电流的增大，将使发热按电流的平方关系增加，由理论公 式 PR=I2R 为证）。而采用 PFC 技 术的 UPS 因电流增大不明显而可将输入电压下限拓延至160V ，即 PFC 整流电路除作功率因数校正、提高功率因数、符合绿色电力环保要求外，还起着另外一个作用，即拓展
UPS 输入电压范围。
捷力 UPS 在 PFC 整流电路中， 采用 35KHZ 高频 PWM 控制技术、 德国 IXYS 软快速恢复整流器件、东芝（ Toshiba）第三代功率场效管（ Power MOSFET ）、美国 Unitrode 公司功率因数校正芯片及精心设计的电感 L 及电流检知元件 CT ，从而确保 UPS 可靠高效运行， 以 1K 机为例，在满载时可将其 PF 校正至 0.98 以上，输入电压范围拓宽至 160-270V 。
CPU 微处理器控制
CPU 微处理器控制，不仅提升了产品集成度、可靠度，而且提供了
UPS 与电脑沟通的
机会。当绝大数同等容量的 UPS 还在使用数字、模拟混合电路和或专用 Hybird, 捷力公司研
发人员就已转向了开发具有自主版本的控制软件的微处理器控制之路， 的数千了节的程序，其速度之快可想而知。由于采用了高档微处理器，捷力 路性能更加卓越：
具有非常强的数据逻辑运算能力，使整个控制系统响应极快， 提升。
捷 力 SP 系 列 UPS 采
UPS 控制电
用了美国 ATMEL 公司具有 Flash Memory 的 AT89C51/52 高档微处理器运行的仅是任务单一
UPS 动态性能得以大大
电池低
具有很强的通讯能力， 并且有友好的通讯界面， 借由接口电路除传递市电异常、 压及摇控关机信号外，还可提供输入输出资料（如电压、电流频率、功率因数、 电池电压、 UPS 状态等以适应电脑网络化之趋势。
具有很强的故障诊断及处理能力，确保
UPS 及负载安全运行。
单片式结构使硬件电路大幅减少，控制可靠性提高。
总之捷力公司拥有自主版本的控制软件配合高档微处理器为捷力 提供了强有力的技术支持。
VA 、W ）、
UPS 整机性能的提高
功率变换技术 捷力公司在
SP 系列 UPS 中采用了一系列高频功率转换新技术，在设计上采用最新
35～50KHZ ，从而使 UPS 的滤波
Power MOSFET 与 IG 器件相结合， 除逆变采用 20KHZ SPWM 技术控制外， 其余各功率变换环节均配合精心设计的磁性元件，将开关频率提升至 环节尺寸进一步减小，动态性能进一步提高。在
AP 系列设计中全部采用 IGBT 模块及整流
模块， 设计冗裕度大、寿命长， 且可靠度高。 在逆变器控制技术中采用瞬时电压控制技术与 数字调节相结合，确保 UPS 对非线性负载的适应能力，将 UPS 带 100% 整流负载时的畸变将至 4%以内。
大功率充电技术捷力公司针对大陆电网这状况，全线设计产品中均具有长效型机种。内置 —10A 可调大功率高频充电系统， 严格按照电池特性充电， 将会造成电池容量明显下降，缩短电池使用寿命（ 捷力在功率高频充电技术，采用 线，确保电池供电时间，延长电池寿命，
确保延长电池寿命究表明，
池充电电流过小， 则会导致：（ 1）电池放电后不能完全恢复至额定容量，
2 若电
随着放电次数增加，
2）充电时间延长，不适于频繁停电场合。
5 段电流拨码开关控制，
35～ 50KHZ 高频交换式电源方式，恒压限流二段式充电曲
AP 系列充电系统更采用
充电电流分 2A 、4A 、6A 、8A 、10A 五档可控，以和电池配合支持不同备用时间。
智能保护技术
由于在 UPS 中 采用 CPU 控制，保护技术采用软、硬件相结合及相关诊断技术，确保 UPS 及负载可靠，主要体现在：
* 电池电量检知：根据电池放电电流（深度）经过软体运算，决定电池关机电压，延长电池寿命。
* 逐脉冲限流保护技术：逆变器可承受瞬间脉冲电流，适应任何冲击负载（如显示器） 开机而不跳旁路供电。
* 智能短路保护：采用软、硬件结合自动识别输出短路及过流，汉短路发生时，逆变迅速关闭但不跳旁路，以避免不必要的伤害。
* 自我故障侦侧： UPS 发生故障时， UPS 可自行诊断故障部位， 并通过 UPS 前面板 LED 组合来指示，帮助迅速修复 UPS。
* 输入过高压保护：当市电高于 UPS 及负载安全。
273V 时， UPS 通过机械继电器与市电隔离，以保护
SP 系列— 1K/2K/3K 特性说明：
* 高频在线式设计、体积小、重量轻、效率高为最先进的世界潮流。 * 采用 CPU 微处理器控制，大幅提升产品的精确度及可靠度。
* 输入功率因数改善线路，符合绿色电力环保要求，降低输入尖峰电流。 * 宽限输入电压范围，可接受 * 长效型机种内置
电时间快，确保电池使用寿命。
* 可直流启动，特别适用频繁停电地区。 * 输入频率自动侦测，可与发电机连接使用。
* 正弦波输出， 低杂讯及低失真干扰， 尖峰电流承受能力强， 最适用于电脑等整流性负载设备。
* 保护功能完善：
输入过高压保护：当市电电压高于 雷击及突波保护。
* 自我故障侦测功能，正确指示故障原因，提供维修判断依据。
* 标准介面卡 （NOVELL ＋ RS－ 232）配置可与不同软体搭配， 于各种系统上执行监控功能。 * 造型经专家特别设计，外形美观，更具人性化显示面板。
273V 时， UPS 与市电自动隔离；
特殊限流保护：逆变可承受瞬投脉冲电流而不跳旁路，以电池放电及过充保护；
160— 270VAC ，使用于电源环境恶劣地区。
5— 10A 大容量充电器，适用不同备用时间，严格按照电池特性充电，充
13.3.3 UPS 使用中注意事项
1、为 UPS的运行提供较好的使用环境，在可能的情况下，尽量避免灰尘、油烟等侵入 UPS。以减少 UPS 因使用环境差而造成的故障。
2、在开关 UPS时，要按照开关机的顺序来操作， 即开机时为市电开 载开
，关机时为负载关
UPS 关
市电关。
UPS 开 负
3、对输入 UPS的市电电池输出负载，各回路中所使用的空气开关、闸刀开关、插
座、接线等要确保接触良好。如出现打火现象，要及时处理或更换。
4. UPS 的输出不允许接感性负载
( 如电钻等 ) ，尽量不要满载，甚至过载下运行。
如果出现过载告警，要立即卸掉部分负载。
5. 定期 2-3 个月清扫 UPS的进风孔，在机壳外用毛刷，对前面板的横条形进风孔和侧板小圆孔进行清扫，以利通风散热，保证
UPS工作稳定。
13.3.4 蓄电池的维护
蓄电池的维护极易被人忽视，有的单位对蓄电池的状态从不检查，这主要是不了解除蓄电池在 UPS中的重要地位。以下简单对蓄电池的维护加以说明：
1. 蓄电池在 UPS的重要位置，要求加强蓄电池的维护。有人说蓄电池是“
因为没有蓄电池或蓄电池的维持时间极短，
UPS的
心脏”，我们认为一点也不过分， 则不间断
电源就不能称为不间断电源，而只能称作稳压、频压电源。
2.
蓄电池在整套 UPS的成本中占有相当大的比例， 特别是在小功率 UPS中所占比
重更大，所以一旦蓄电池由于维护不当损坏，对用户来说，其经济负担很重。
3.
由于维护不当， 蓄电池的故障率相当高， 由于蓄电池故障而引起 UPS不能正常
工作的比例也相当大，这是需要我们引以重视的。
以上说明正确使用和维护蓄电池并非小事，它对保持 池使用寿命非常关键。 蓄电池的日常维护工作：
1. 定期检查蓄电池的状态，保持蓄电池室和电池容器、支架、外壳清洁。定期检
UPS的正常运转，延长蓄电
查电池串联接线端子，使之接触良好，防止电流放电时产生打火和压降地大现象。
2. 假若 UPS在运行 2～ 3 个月期间很少发生停电或没有停电现象，则应实行核对
性放电，将市电人为断开，放出电池容量的 30%～ 40%，然后再接入市电正常运行。
1～
3. 及时处理落后电池，准备停用的电池，在停用前应先充。在放置后，每隔
2 个月充电一次。
13.3.5 UPS 使用中常见故障及排除
序号 故障现象
有市电，但市电指示 显示
LINE 无
故障原因 /排除方法 已停电
备 注
1
检查市电输入是否开关跳闸或市电保险丝断 同 一
可用万用表测市电 输入 UPS 线是否有 电
2
有市电， 但电池告警， 电池放 电运行
有市电时， 运行正常， 若停电， UPS 维持时间极短
有市电时运行正常，若停电， UPS 立即停机
UPS 运行一段时间， 就长鸣告
3
检查电池联接线及电池与主机接 线是否有松脱现象 检查电池接线 有个别电池损坏开路
UPS 通风口被杂物堵住，气温升 高，须清除杂物 风机故障
损坏电池可用万用 表检测
4
5
警，故障显示为 1.4 亮（由下 向上数）
6
计算机经常莫名其妙的重复 启动，观察 UPS 显示正常
输出线和插座接触不良： 检查 UPS 输出线 检查 UPS 各输出插座
UPS 设备距离微机太近，会产生 电磁干扰，加大距离，改善设备 接地
电池与电池联线接触不良，可自 行处理使之接触良好
7
显示器、终端经常出现乱码， 键入 A ，屏幕可能出现 B
移机时，注意接线 正确、可靠 先找到接触不良点 或全部将电池接线螺丝紧固
8
市电停电后， 电池运行时， 电 池箱有打火声响
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