UPS的运行原理是什么？这些你需要了解
来源：宝鄂实业
2019-05-27 20:54
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电能是现在社会中使用范围最广泛的能源，仔细观察一下我们周围，电灯，手机，电脑甚至电梯、地铁等等都是用电力驱动的设备，可以说电已经深入我们的身边的每一个角落，无论是生产还是生活都离不开电能。最近有个很极端的例子，委内瑞拉全国大规模停电，导致全国上下生产生活陷入停滞，甚至在民众中产生了大范围的恐慌情绪。可以看出，电力是日常生活中最重要的能源，没有了电力，人类生活水平可以说直接要倒退100年以上。
同样的，在机房的基础设施中，电力作为唯一的直接能源，在机房运行中起到了至关重要的作用。在电气系统的设计、施工以及运维工作中，所作的大部分工作都是围绕着“不能断电”的原则开展的。基于这个原则，我们的生产机房采用了2N供电的冗余设计架构，进行了开关电缆的匹配选型，配置了各个层级的电力监控，当然还有大规模应用的不间断电源系统（UPS，uninterruptiblepowersupply）。
本文将主要介绍电力系统中三相电及UPS系统的运行原理，希望大家阅读本文之后能有所收获。
三相交流电
交流电泛指一切电压大小和方向都发生周期性变化的电流。交流电因为可以通过变压器进行简单的变压操作，增加电压，减少电流，进而减小输电线路的损耗，被广泛用于电气系统中。我国日常使用的交流电是电压为220V，频率为50Hz的正弦波电压，具体波形见下图。
其中Em是电压最大值，ω指的是频率角速度。换算到我们日常的数字，交流电的有效值
Ue=Em=220V,
频率f=2π/ω=50Hz。
回顾了220V交流电，我们再来看看交流电是如何产生的。下图简易的说明了交流电机的运转方式。简单来说就是电极导体旋转并切割磁场就可以产生电压，由于旋转过程中需要正向和反向各切割一次，因此产生的便是电压变换正负极的交流电。
但是在工业生产中，这样只有一组导体的发电机显然是不够高效的，那么多空闲的空间没有利用岂不是浪费了。于是工业生产中会在整个空间内设置多组导体，便成为了多相电机。历史上出现过很多种相数的电机，两相，三相，四相等等，但综合各种要素考量，最终由于三相电的各种优势，三相电机最终成为了应用的主流，大部分6相、12相的电机也会通过一定的接线方式转化为三相电进行输出。
具体说道三相电，我们可以拿一个三人自行车来举例子：当一个人骑车的时候，两脚做圆周运动，脚离轴的高度便可以近似成一个正弦函数Y=Msint，三个人骑车，就是处于三个不同相位的三个正弦函数。
如果三个人脚踏的旋转角度正好错开120度，设脚踏的高度为M，于是我从后面看他们三个人的脚踏位置为：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是说，此三个人的脚踏高度的总和为零。类似的，从三相电的曲线中也可以看出，线上三相电压的代数和等于零！这就是三相电的特点。如果我们仅仅抽取其中的两相电压值，我们会发现，电压的代数和正好与第三相电压大小相等方向相反。
可以看出，三相电便是由三个相同电压不同相位组成的三组电源。经过数学推导（电路计算中一般采用相量计算），当电源处于星形接线形式时（也是我们一般机房及楼宇配电常用形式），每相（火线）对中性线（零线）电压均为220V，而两相之间的电压即为，也就是我们常说的380V的电源。
总结一下我们上边说的结论，机房供电中，单相电就是220V电源；三相电就是三个220V的不同相电源，但是每两相之间的电压380V。
说了这么多，那么三相电和我们今天的主题UPS之间到底有什么关系呢？在实际使用中，UPS的输入和输出都是三相电，然而在UPS的工作原理方面，二者并没有什么关系。
UPS运行原理
对于机房内的负载，由于重要性高，负载大，我们所用的UPS都是在线式UPS。在线式UPS是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，逆变器一直处于工作状态。所以当停电时，UPS能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电，从而达到了输出电压零中断的切换目标。
在线式UPS的电路结构如下图所示。在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了滤波器后，再经过交流/直流、直流/交流两次变换后再供给负载。
最前端是输入滤波器，一方面滤除、隔离市电对UPS系统的干扰，另一方面也避免UPS内部的高频开关信号“污染”市电。输入滤波器的形式有很多种，通常采用电子类EMI，成本低，效率高。也可以采用带隔离变压器形式的滤波器，由隔离变压器对市电和后续电源进行电磁藕合，使得市电和UPS没有直接电气联系，部分突变的干扰不会传导至整流器中。目前我行上帝生产机房的UPS均采用了隔离变压器的滤波形式。
在线式UPS不论是由市电还是由蓄电池供电，其输出功率总是由逆变器提供。市电中断或送电时，无任何转换时间。平时，市电经整流器变成直流，然后再由逆变器将直流转换成纯净的正弦电压供给负载。另一路，市电经整流后对蓄电池进行充电。下图中实线部分就是正常工作情况下的电流走向。
如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由于过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回到逆变器输出端。
实现电压变换的两个主要部件分别是整流器和逆变器，分别起到交流-直流的变换和直流-交流的变换。一般UPS都采用了桥式整流的结构对交流电进行整流。下图是简单的桥式整流电路图及工作原理，利用了二极管单相导通特性，在电压处于不同方向时导通对角的二极管，配合一定的滤波稳压结构，就可以实现交流-直流的转换。
相比之下，逆变器的原理相对复杂，笔者在此只进行相对简单的解释。目前主流的逆变器都采用了脉宽调制(PWM)的方式对直流电进行变换。正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法。
同样的，在机房的基础设施中，电力作为唯一的直接能源，在机房运行中起到了至关重要的作用。在电气系统的设计、施工以及运维工作中，所作的大部分工作都是围绕着“不能断电”的原则开展的。基于这个原则，我们的生产机房采用了2N供电的冗余设计架构，进行了开关电缆的匹配选型，配置了各个层级的电力监控，当然还有大规模应用的不间断电源系统（UPS，uninterruptiblepowersupply）。
本文将主要介绍电力系统中三相电及UPS系统的运行原理，希望大家阅读本文之后能有所收获。
三相交流电
交流电泛指一切电压大小和方向都发生周期性变化的电流。交流电因为可以通过变压器进行简单的变压操作，增加电压，减少电流，进而减小输电线路的损耗，被广泛用于电气系统中。我国日常使用的交流电是电压为220V，频率为50Hz的正弦波电压，具体波形见下图。
其中Em是电压最大值，ω指的是频率角速度。换算到我们日常的数字，交流电的有效值
Ue=Em=220V,
频率f=2π/ω=50Hz。
回顾了220V交流电，我们再来看看交流电是如何产生的。下图简易的说明了交流电机的运转方式。简单来说就是电极导体旋转并切割磁场就可以产生电压，由于旋转过程中需要正向和反向各切割一次，因此产生的便是电压变换正负极的交流电。
但是在工业生产中，这样只有一组导体的发电机显然是不够高效的，那么多空闲的空间没有利用岂不是浪费了。于是工业生产中会在整个空间内设置多组导体，便成为了多相电机。历史上出现过很多种相数的电机，两相，三相，四相等等，但综合各种要素考量，最终由于三相电的各种优势，三相电机最终成为了应用的主流，大部分6相、12相的电机也会通过一定的接线方式转化为三相电进行输出。
具体说道三相电，我们可以拿一个三人自行车来举例子：当一个人骑车的时候，两脚做圆周运动，脚离轴的高度便可以近似成一个正弦函数Y=Msint，三个人骑车，就是处于三个不同相位的三个正弦函数。
如果三个人脚踏的旋转角度正好错开120度，设脚踏的高度为M，于是我从后面看他们三个人的脚踏位置为：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是说，此三个人的脚踏高度的总和为零。类似的，从三相电的曲线中也可以看出，线上三相电压的代数和等于零！这就是三相电的特点。如果我们仅仅抽取其中的两相电压值，我们会发现，电压的代数和正好与第三相电压大小相等方向相反。
可以看出，三相电便是由三个相同电压不同相位组成的三组电源。经过数学推导（电路计算中一般采用相量计算），当电源处于星形接线形式时（也是我们一般机房及楼宇配电常用形式），每相（火线）对中性线（零线）电压均为220V，而两相之间的电压即为，也就是我们常说的380V的电源。
总结一下我们上边说的结论，机房供电中，单相电就是220V电源；三相电就是三个220V的不同相电源，但是每两相之间的电压380V。
说了这么多，那么三相电和我们今天的主题UPS之间到底有什么关系呢？在实际使用中，UPS的输入和输出都是三相电，然而在UPS的工作原理方面，二者并没有什么关系。
UPS运行原理
对于机房内的负载，由于重要性高，负载大，我们所用的UPS都是在线式UPS。在线式UPS是指不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，逆变器一直处于工作状态。所以当停电时，UPS能马上将其存储的电能通过逆变器转化为交流电对负载进行供电，从而达到了输出电压零中断的切换目标。
在线式UPS的电路结构如下图所示。在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了滤波器后，再经过交流/直流、直流/交流两次变换后再供给负载。
最前端是输入滤波器，一方面滤除、隔离市电对UPS系统的干扰，另一方面也避免UPS内部的高频开关信号“污染”市电。输入滤波器的形式有很多种，通常采用电子类EMI，成本低，效率高。也可以采用带隔离变压器形式的滤波器，由隔离变压器对市电和后续电源进行电磁藕合，使得市电和UPS没有直接电气联系，部分突变的干扰不会传导至整流器中。目前我行上帝生产机房的UPS均采用了隔离变压器的滤波形式。
在线式UPS不论是由市电还是由蓄电池供电，其输出功率总是由逆变器提供。市电中断或送电时，无任何转换时间。平时，市电经整流器变成直流，然后再由逆变器将直流转换成纯净的正弦电压供给负载。另一路，市电经整流后对蓄电池进行充电。下图中实线部分就是正常工作情况下的电流走向。
如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由于过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回到逆变器输出端。
实现电压变换的两个主要部件分别是整流器和逆变器，分别起到交流-直流的变换和直流-交流的变换。一般UPS都采用了桥式整流的结构对交流电进行整流。下图是简单的桥式整流电路图及工作原理，利用了二极管单相导通特性，在电压处于不同方向时导通对角的二极管，配合一定的滤波稳压结构，就可以实现交流-直流的转换。
相比之下，逆变器的原理相对复杂，笔者在此只进行相对简单的解释。目前主流的逆变器都采用了脉宽调制(PWM)的方式对直流电进行变换。正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法。
