能量可以通過不同的方式存儲。例如我們最熟悉的手機，我們在外出時，手機可以不用一直接上電池，就是手機里有一塊電能儲能裝置，可充電電池，而UPS不間斷電源也是一樣的原理。

一、什么是UPS不間斷電源：

UPS不間斷電源(UninterruptiblePowerSupply)是一種允許計算機在輸入電源中斷時至少短時間保持運行的設備。只要市電有流動，它也會補充和維持能量存儲。存儲的能量越多，維持電力的時間就越長，但實際的限制將在后面討論。UPS系統之間的差異在于使它們能夠完成工作的技術。

二、UPS不間斷電源的分類：

最常用也是最有效的UPS類型，一般稱為全時或全雙轉換UPS。對于任何UPS，輸入的市電均為交流電(AC)，這也是大多數信息技術設備(ITE)所要求的。

另一方面，電池是直流(DC)設備，因此所有電池型UPS都必須將輸入的交流電轉換（或整流）為直流電，以便為電池充電。UPS還必須仍然向ITE提供交流電，因此必須通過稱為逆變器的設備將直流電轉換回交流電。

在雙轉換UPS中，電力連續流經整流器，然后通過逆變器流至ITE。輸出電壓和頻率與輸入電壓和頻率完全隔離且獨立。它們甚至可以與輸入完全不同，因此該系統在技術上被歸類為電壓和頻率無關（VFI）。

三、與電壓和頻率無關：

（下圖1）顯示了正常運行中的VFI系統。輸入功率異常有兩種處理方式。浪涌抑制裝置(SPD)可以吸收特別嚴重的電壓尖峰。這些可能是由電源線、電梯或醫療電子設備上使用的大型電機的雷擊引起的；焊工或許多其他來源。但即使是最小的變化，包括電壓暫降或斷電，也無法通過VFIUPS到達輸出。

電池是出色的電減震器，但它們還為逆變器維持穩定恒定的電壓，逆變器完全重新合成電壓和電流，從而使輸送到ITE的電力干凈穩定。將空調或其他電機連接到為ITE提供服務的UPS可能會污染這種清潔的輸出電源，因此不建議這樣做。

注意UPS周圍的旁路電路。我們稍后會解決這個問題。

VFI雙轉換UPS--正常模式

在正常操作中，電池始終存在于電路中，在需要時（例如在停電期間）提供少量電力，因此輸出電力不會出現絲毫中斷。

當市電出現故障時，如下圖2所示，電池會繼續向逆變器提供儲存的能量，逆變器會繼續向ITE提供清潔電力。當市電恢復時，電力通過整流器回流，為逆變器供電并為電池充電。

VFI雙轉換UPS--故障模式

四、UPS靜態和維護旁路：

UPS不是不間斷的。它們是電氣或機械設備，因此不僅需要日常維護，而且容易出現部件故障。出于這些原因，所有UPS系統都具有內置旁路，可將輸入電源路由到系統周圍，并在必要時直接路由到ITE。

高品質SPD仍在電路中，但僅比在具有浪涌保護的電源板上運行家用電子產品稍好一些。它不會阻止公用電源中斷或處理電壓驟降或停電。如果UPS發生故障，旁路會立即作為靜態開關運行。

當技術人員必須在系統上工作時，手動操作旁路以保證內部組件的安全。如果UPS處于旁路狀態時市電發生故障，ITE的電源就會中斷。任何僅配備一臺UPS的安裝都存在此漏洞。下面的圖3顯示了處于旁路模式的UPS。

請注意，主要尖峰已被消除，但電壓下降仍在繼續。

VFI雙變換UPS--旁路模式

五、經濟模式運行：熱力學第一定律--能量守恒定律，規定能量既不能被創造，也不能被消滅。沒有任何電氣或機械設備是100%高效的，因此每次轉換都會產生損耗，這些損耗會以熱量的形式逸出。

UPS系統的效率比十年前高得多，并且從低負載到高負載都保持接近相同的效率。但整流器和逆變器仍然存在損耗，當UPS處于旁路模式時，這些損耗會被消除。許多VFIUPS現在提供一種復雜的旁路版本，稱為經濟模式（eco模式），如下圖4所示。經濟模式UPS可以在需要時恢復完全VFI運行。

當消除整流器和逆變器損耗時，可以節省電力和成本，直到停電并需要UPS全面運行。一些用戶將系統設置為白天進行VFI操作，并在夜間自動切換到經濟模式（如果這些操作被認為不太重要）。節能模式通常非常可靠，但許多用戶對來回切換模式持謹慎態度。此外，新的VFIUPS效率與經濟模式下可達到的效率相差不到1%或更少，因此許多用戶現在認為這種替代運行模式是不必要的。

請注意，eco模式UPS包含高質量濾波器，這也會產生少量損耗，并且切換模式時通常會出現短暫的不穩定。Eco模式效率是統計數據，但如果電源故障很少發生且是短期的，則該效率可以達到99%。

VFI雙變換UPS--經濟模式

六、在線互動式UPS：

真正的在線互動式UPS，又稱電壓無關型（VI），因輸出頻率與輸入相同而得名。它們看起來與經濟模式下的VFIUPS幾乎相同，除了整流器的尺寸以及無法切換到VFI模式之外。

較小的整流器只需要給電池充電，這有助于吸收異常情況并在電壓驟降時提高功率。當斷電時，電池會完全接管。下面的圖5顯示了電池和逆變器如何通過與輸出并行運行來幫助補償輸入電壓變化。

VI線交互-普通模式

下面的圖6顯示了傳入服務出現故障時的線路交互式UPS。就像在雙轉換UPS中一樣，電池接管工作，但旁路將市電從電路中切換出來。由于ITE大部分時間依靠市電運行，因此可以避免通過逆變器進行第二次轉換，直到斷電為止，從而消除了效率損失組件之一。

十年前，VIUPS的效率優勢可能比VFI裝置高出5%或更多，但VFIUPS的巨大改進已將這一優勢降低至1%或更低。

VI線互動-故障模式

七、備用UPS：

下面的圖7通常稱為備用UPS，屬于電壓和頻率相關型(VFD)。與VIUPS一樣，電力直接輸送至ITE，但電池和逆變器在斷電之前不會進入電路。輸出經過濾波，但不如真正的VI UPS穩定。

VFD備用UPS--正常模式

如下圖8所示，當電源出現故障時，市電會斷開電路，電池和逆變器會接通。存在一定的切換不穩定性，但延遲足夠短，足以讓大多數計算機電源能夠渡過。

當電力恢復時（無論是市電還是發電機），逆變器會斷開連接，線路電源會重新接通，并且電池會通過整流器進行充電，整流器比VFI或VIUPS小得多。

VFD備用UPS--故障模式

不幸的是，備用或VFDUPS有時被宣傳為線路交互式。確定UPS的類型非常重要。國際公認的VI和VFD標識提供了絕對的區別，但制造商并不總是使用，特別是對于較小的系統。

七、機械和非電池UPS系統：

機械式UPS主要分為三種類型，其中兩種也是非電池式的。這三個都是真正的VFI或雙轉換系統，但中間轉換是純機械的：

1．電動發電機(MG)組將電動機與發電機結合在一起。電機相當于VFIUPS中的整流器，發電機相當于逆變器。市電驅動整流器，該整流器運行直流電機并為電池充電。當電源出現故障時，電池使電機保持運轉，以便發電機繼續向負載供電。MG裝置更常用于維持其他機械設備（例如空調）的電力，而不是為實際的ITE供電，盡管曾經有一段時間它們在舊大型計算機中相當普遍。

2．柴油旋轉式UPS(DRUPS)與MG機組類似，不同之處在于沒有電池（除了用于發電機啟動），并且內置柴油發動機在市電故障時啟動并維持供電。飛輪使發電機旋轉足夠長的時間，以便在機械離合器將發電機連接到發電機之前穩定發電機。同樣，這些往往更多地用于維持空調供電，而不是為ITE供電。當不間斷冷卻對維護尤為重要時，它們通常被選為獨立發電機的經濟高效替代方案。

3．飛輪UPS與MG機組和DRUPS有相似之處，但也有重大區別。當市電可用時，發電機由電動機轉動，但該系統僅包含一個重型飛輪來保持發電機轉動，通常直到輔助發電機恢復供電為止。飛輪安裝在真空密封外殼中幾乎無摩擦的空氣或磁力軸承上，可保持動力長達30秒。組合裝置可將持續時間延長至幾分鐘，而不會產生其他UPS常見的熱量。

八、UPS功率因數：

功率因數（pf）是有功功率與視在功率之差。這是一個很大的誤解，但對于買家來說了解這一點非常重要。從歷史上看，大多數大型UPS的pf均為0.8，這意味著100千伏安(kVA)UPS只能提供80千瓦(kW)的有功功率。當今大多數現代UPS的pfs為0.9至1.0，這意味著以kW為單位的有功功率更接近甚至等于以kVA為單位的視在功率。

九、集中式UPS與分布式UPS：

分布式UPS通常是指安裝在每個設備柜中的小型UPS，盡管有時每排機柜都有一個UPS。存在小型VFIUPS，但許多都是VFD或VI設計，因此了解正在購買哪種技術非常重要。小型機架式UPS的pfs通常僅為0.7，因此宣傳為1,000kVA的UPS可能只能提供700瓦的功率。這些都有其用武之地，但通常在只有一兩個設備機架的情況下，集中式獨立UPS并不經濟。

小型分布式UPS的維護并不總是和大型系統一樣，因此故障電池常常無法被識別，直到為時已晚。

十、選擇和使用UPS系統的注意事項：

選擇UPS系統有幾個重要的考慮因素，包括：

1．模塊化：大多數現代電池式UPS都是模塊化的。它們由多個較小的UPS和電池單元組成，可以根據需要進行組合以提供容量、冗余或兩者兼而有之。不再需要為了長期增長而過度購買。這個框架必須足夠大才能滿足長期期望。

實際模塊可以根據需要購買和安裝，并且可以安裝一個或兩個附加模塊以提供冗余。例如，100kWUPS可能有六個20kW模塊以提供N+1冗余。電池容量可以用同樣的方式模塊化增加。此外，大多數系統中的模塊都是可熱插拔的，因此可以移除故障模塊并將其返回工廠，并在夜間發送替換模塊供用戶安裝，而無需中斷操作。

如上所述，飛輪UPS還可以進行模塊化組合，以增加尺寸、運行持續時間和/或冗余。然而，這些必須由經過培訓的人員添加和維護。

2．階躍功能：當用電設備突然承受大負載時，電源可能會暫時不穩定，例如當家庭恢復供電時燈光閃爍或大型電機啟動時燈光短暫變暗。這是運行2NUPS冗余時最值得關注的問題，因為一臺UPS發生故障需要第二臺UPS立即吸收總負載。

這在VFDUPS中也是一個令人擔憂的問題，其中滿負載在電源故障時轉移到逆變器，并且在VI系統或在經濟模式下運行的系統中可能會出現問題。在評估大型UPS系統時，電氣工程師從UPS供應商處獲取瞬態負載數據、進行比較并向所有者解釋結果非常重要。

十一、電池和電池持續時間：

電池是一項不斷發展的技術，特別是因為電池在電動汽車中的使用量不斷增加。電池很重，因此應經常驗證地板結構強度。目前常用三種類型的電池：

1．富液式鉛酸電池或濕電池最昂貴，但使用壽命最長--通常為25年或更長。然而，他們需要獨立的防火房間，配有酸排水管、氫氣檢測警報器、排氣扇、洗眼站、雨淋和危險品防護裝備。它們也是最重的，需要定期維護，并且通常用于最大和最復雜的裝置。

2．閥控鉛酸(VRLA)、也稱為密封電池，使用糊狀電解質而不是液體，并裝在帶有小通風口的密封包裝中。它們的充電速度比濕電池慢，以避免氫氣排放，因此可以在任何空間使用，無需特殊構造或保護。保修期通常為10年，但實際使用壽命通常僅為3-5年，具體取決于當地電力穩定性以及電池部分放電和充電的頻率。壽命較長的VRLA電池價格較高，但通常必須指定。VRLA的重量比濕電池輕一些。

3．鋰離子(Li-ion)是最新的電池，在大多數司法管轄區無需特殊房間或建筑即可使用。可能仍然有一些城市認為它們是危險的，但它們的化學成分和結構與那些在超緊湊電子產品中起火的城市完全不同。鋰離子電池比VRLA更小、更輕，可以部分放電和充電而不會退化，并且預計比VRLA具有更長的使用壽命。然而，它們對于長期數據來說仍然太新。

十二、電池持續時間：

無論電池類型如何，UPS系統都會散發熱量，因此UPS在沒有空調的情況下運行的時間是有限的。實際限制取決于房間大小、其他設備和建筑熱負荷等因素，但普遍接受的規則是30分鐘到60分鐘。

在某些時候，UPS會過熱并進入自我保護熱關機狀態。因此，如果沒有發電機來重新啟動冷卻，較長的電池持續時間會浪費空間和金錢，并大大增加電池更換成本，特別是在使用VRLA電池時。一個電池出現故障需要更換整個電池組，否則其他電池將過早失效。如果IT人員擔心有序關閉，那么最好使用大多數大型UPS上提供的功能來實現這一點，該功能可以在電池壽命達到預設水平時通過網絡發送信號來關閉ITE。

對于發電機，UPS通常配置僅支持幾分鐘的電池。優質發電機應在幾秒鐘內啟動并穩定，但有時需要更長的持續時間，以便在發電機無法啟動時提供時間。對于冗余發電機來說，這應該是不必要的。

電池組：最常見的UPS組件是電池。因此，最好的配置是使用至少兩個電池組來提供所需的持續時間。

電池監控和維護：許多較新的UPS系統都采用第三方電池監控。如果不這樣做，則應將其指定為附加要求。當突然承受負載時，電池往往會失效，而這正是最需要它們的時候。監控器有多種類型，制造商之間對于哪種類型最好存在爭議，但任何監控系統都會在災難發生之前對薄弱或故障的電池發出警報。濕電池需要定期維護。當監測顯示電池電量較弱時，應更換電池。

變壓器和接地：請注意，UPS插圖中沒有顯示輸入或輸出變壓器。變壓器曾經是電子式UPS的標配，但現在已經很少見到了，這對效率的提高起到了很大的作用。消除變壓器還有另一個潛在的優點和兩個潛在的缺點：

優勢：如果輸入和輸出電壓相同，則不需要包含變壓器的全環繞旁路，而維護旁路則不需要。

缺點：如果輸入和輸出電壓必須不同，則不僅在輸入或輸出處需要變壓器，而且還需要包含另一個變壓器的全環繞旁路。

缺點：沒有輸出變壓器將負載與UPS隔離。因此，電氣工程師在設計接地系統和解決故障情況（通常稱為短路）問題時必須特別謹慎，因為故障情況可能會損壞UPS輸出晶體管。這通常是通過大型配電裝置中的外部配電變壓器來完成的。

低電能質量和發電機的注意事項

VI和VFDUPS可能會出現電源不穩定的問題。由于在電源完全恢復之前通常會出現一次或多次閃爍，因此這些UPS包含一些邏輯，可防止它們在電源穩定之前恢復正常運行。

VI和VFDUPS不應該在電源不穩定的地方使用，因為它們還具有鎖定功能，如果它們來回切換過于頻繁，則無法恢復正常，需要手動恢復。如果發電機切換到負載太快，并且在嘗試吸收負載時出現時強時弱，也會出現同樣的問題。