2.1.3 UPS的分类

自从第一台采用电子调节技术的UPS问世以来，经过几十年的不断努力与改进，UPS技术走过了快速发展的历程，主要产生了如下几种不同技术的产品：普通后备式UPS、铁磁共振式UPS、线路交互式UPS、三端口式UPS和在线式UPS。目前，市场上UPS品牌和种类繁多，但可按电路主结构、后备时间、输入输出方式、输出波形和输出容量5个方面对其进行分类。

1.按电路主结构分类

（1）后备式UPS

后备式UPS是指UPS在市电电压、频率不超过设计范围时，直接用市电向负载供电，在市电电压、频率超过设计范围时，采用逆变器供电，一般输出电压范围为220V±10% （或15%）。后备式UPS直接把输入线和输出线相连。当主电压发生故障时转换成蓄电池供电，在线路电压降到停机临界点时才进行电源保护。这种输入和输出直接相连结构意味着不能对峰值电压和噪声提供根本上的保护。一些后备式UPS厂家还增加了浪涌抑制和线路调节电路，仅当在市电发生事故期间转换到蓄电池供电。后备式UPS由一组蓄电池、DC/AC、电压检测回路和转换开关组成。从AC转换到备用蓄电池供电大约有7ms的延迟时间。

后备式UPS的工作原理是：当市电正常供电时，市电经滤波回路及突破吸收回路过滤杂波后，直接供应电力给负载，与此同时有一条回路经充电回路对蓄电池充电；此时若市电的电压不稳定，则输出电压和市电电压一样不稳定；此时若市电发生异常，则转换到蓄电池经逆变器提供稳定的电力供负载。后备式UPS因存在转换时间，对于某些设备会造成停机，并且大部分后备式UPS产品的输出波形皆为阶梯波。

后备式UPS最初设计是用于处理电源停电故障，而且今天大多数的厂家都提供了追加保护。如果增加了浪涌抑制电路，那么后备式UPS就能抑制冲击电压，并能对一些峰值电压和转换瞬变提供适当的保护，但不能进行完全意义上的隔离保护。对于欠压、电器噪声、频率变化、停电，后备式UPS只有转换到蓄电池经逆变器给负载供电才能提供保护，这将影响蓄电池的备用时间。后备式UPS产品有着价格优势，适合小型办公企业和家庭用户使用。后备式UPS的性能特点如下。

① 当市电存在时，效率高，可达98%以上。

② 当市电存在时，输入功率因数和输入电流总谐波畸变率取决于负载电流，UPS本身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真。

③ 当市电存在时，输出能力强，对输出电流峰值系数、输出电流浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格地限制。

④ 当市电掉电时，输出有转换时间，一般可做到4ms左右，足以满足负载要求。

⑤ 当市电存在时，输出电压稳定度低，整机要靠附加滤波电路提高UPS双向抗干扰功能。

⑥ 电路简单，成本低，可靠性高。

⑦ 由于输出有转换开关，受转换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一定困难，当前后备式UPS多在2kVA以下。

过去，后备式UPS使用较为普遍。在市电正常供电时，市电经UPS分路直接输出或经变压器耦合输出，逆变器并不工作。此时，UPS相当于一台稳压性能较差、无交流稳压功能的稳压器，仅对市电电压幅度波动有所改善，对电网上出现的频率不稳、波形畸变等“电污染”不作任何调整。当市电异常或中断时，UPS转换为蓄电池供电状态，蓄电池直流电经逆变器逆变为220V的稳定交流电输出。后备式UPS的逆变器总是处于后备供电状态，它具有利用率高、噪声小、价格便宜等特点，但供电质量较差。后备式UPS的主要技术指标包括以下几个。

① 容量。这是指UPS的带负载能力，容量越大所能够带的负载也越多。

② 交流输入电压范围。这是指UPS在交流市电状态下的工作范围，范围越大对电网的适应能力越强。

③ 交流稳压输入范围。这是指UPS在该交流输入范围内具有稳压的功能。

④ 交流稳压输出范围。这是指UPS在以上交流稳压输入范围内输出电压的稳定范围或称稳压精度。

⑤ 输出频率范围。这是指 UPS在市电中断时输出的频率，国家标准规定为 50Hz±2.5Hz。

⑥ 转换时间。这是指UPS在市电中断瞬间转换为蓄电池工作的转换时间，国家标准规定为≤10ms。

⑦ 备用时间。这是指UPS在额定容量负载情况下，市电中断后转换为蓄电池供电而能够持续的时间。

（2）在线式UPS

在线式UPS在市电正常供电时，首先将市电交流电变成直流电，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电逆变为交流电。一旦市电中断，立即改由蓄电池经逆变器向负载提供交流电。因此，对在线式UPS而言，在正常情况下，无论有无市电，它总是由UPS的逆变器向负载供电，这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰带来的影响。显而易见，在线式UPS的供电质量明显优于后备式UPS，因为它输出的是经稳频、稳压的交流电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。

在线式UPS平常由逆变器输出向负载供电，只有当UPS发生故障、过载或过热时才会转为由旁路输出给负载供电。在线式UPS的性能特点如下。

① 输出的电力经过UPS的处理，输出电源品质最高。

② 无转换时间。

③ 结构复杂，成本较高。

④ 保护性能好，对市电噪声及浪涌的抑制能力最强。

在线式UPS在市电正常供电时，市电经滤波回路及突破吸收回路后，分为两条回路同时工作。一条回路经充电电路对蓄电池充电；另一条回路经整流电路，作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换给负载供电。此时若市电发生异常，逆变器的输入则改由蓄电池来供应，逆变器持续提供电力没有中断。这就是在线式 UPS的工作方式。由此可知，在线式UPS的输出完全由逆变器来供应，所以无论市电的电力品质如何，其输出波形与市电相同，均为正弦波。

在线式UPS也得益于蓄电池吸收瞬变电压的能力，这意味着在线式UPS系统具有浪涌保护功能。多数厂家额外提供峰值电压保护来补充这个功能。变压器能进一步隔离输出部分，并提供一个稳定的正弦波电流，对于保护数据中心的设备是非常理想的。但在线式UPS有一个缺点，那就是蓄电池工作在浮充电状态，这使蓄电池维护工作增加。

1）双变换在线式UPS

在线式UPS不论在市电正常供电时，还是在市电中断时，它对负载的供电均是由UPS的逆变器提供的。当市电正常时，以交流电—整流—逆变器方式向负载供电；当市电中断时，以蓄电池—逆变器方式向负载供电。其特点是完全消除了来自市电电网的任何电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰稳压供电，实现由市电供电到蓄电池供电转换时间为零。

在线式UPS一般采用双变换结构。当市电正常时，双变换在线式UPS输入交流电压，通过充电电路不断对蓄电池进行充电，同时AC/DC电路将交流电压变换为直流电压，然后通过脉冲宽度调制技术由逆变器再将直流电压逆变成交流正弦波电压供给负载，起到无级稳压的作用。而当市电中断时，后备蓄电池开始工作，此时蓄电池的电压通过逆变器变换成交流正弦波或方波供给负载。因此，无论是在市电供电正常时，还是在市电中断、由蓄电池逆变供电期间，逆变器始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频及零转换时间。双变换在线式UPS的这种特点使它比较适合于用外加蓄电池或加装优质发电机组的方法改装成长时间不间断供电的系统。双变换在线式UPS的输出多为正弦波，电压和频率比较稳定，所以它多被用在供电质量要求很高的场所。双变换在线式UPS的性能特点如下。

① 不管市电有无，负载的全部功率都由逆变器给出，可以向负载提供高质量的电源，例如，输出电压稳定度、输出频率稳定度、输出电压动态响应、输出波形失真度等指标，都是比较好的。

② 当市电断电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间。

③ 全部负载功率都由逆变器供出，UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以对负载提出限制条件，如输出电流峰值系数（一般只达到3∶1）、过载能力、输出功率因数（一般为0.8）、输出有功功率（小于标定的kVA值）、应付冲击性负载的能力等。

④ 由于逆变器1多为整流电路，对电网形成电流谐波干扰，输入功率因数小，经滤波后，最小的谐波电流成分在10%左右，而输入功率因数只有0.8左右，如果在逆变器1中使用功率因数校正技术，则可使输入功率因数接近1，输入电流谐波成分也会大幅度减少。

⑤ 当市电存在时，由于两个逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低，10kVA以下的UPS为80%左右，50kVA的可达85%～90%，100kVA以上的可达90%～92%。

2）双变换电压补偿在线式UPS

双变换电压补偿技术也称为Delta技术，是目前国际上最先进的技术，它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中。当市电正常时，两个逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%，所以功率强度很小，功率余量大，这就增强了UPS的输出能力和过载能力，不再对输出电流峰值系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，也不再对输出功率因数进行限制，输出有功功率可以等于标定的kVA值。总而言之，Delta技术的运用不仅弥补了传统在线式UPS的不足，还使得UPS的许多主要指标有了新的突破。双变换电压补偿在线式UPS的性能特点如下。

① 因为逆变器2随时监视控制输出电压，并通过逆变器1参与主电路电压的调整，所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，例如，输出电压稳定度、输出频率稳定度、输出电压动态响应、输出波形失真度等指标，都是比较好的。

② 当市电断电时，输出电压不受影响，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时，也由逆变器2调整补偿掉，所以是典型的在线工作方式。

③逆变器1同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输入谐波电流减小到3%以下。

④当市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，所以整机效率在很大的功率范围内都可达到96%。

（3）在线互动式UPS

在线互动式UPS是基于在线式UPS发展起来的一种新技术，其蓄电池、逆变器和输出始终处于连通状态。在市电供电状态下，逆变器反相工作，为蓄电池充电；当市电异常时，转换开关断开，由蓄电池供电。该UPS的逆变器和输出总是处于连通状态，对电源起到滤波及削波作用，具有优越的电源保护功能。在线互动式UPS具有稳压精密、运行稳定、智能化和安全保护等特点。

由于在线互动式UPS的逆变器始终处于工作状态，与后备式UPS相比，转换时间非常短，其交流输出电压稳定性好，不过整流充电器由双向变换器组成，不宜作长延时的UPS使用。

在线互动式UPS是介于后备式UPS和在线式UPS之间的UPS，它集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。在线互动式UPS的逆变器一直处于工作状态，具有双向功能：当市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池充电，起整流充电器的作用；当市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池的直流电压变换为交流正弦波电压并输出。在线互动式UPS也有转换时间，但比后备式UPS短，保护功能较强。另外，它还采用了铁磁谐波变压器，在市电供电时具有较好的稳压功能。在线互动式UPS的价格远远低于在线式UPS，而只比后备式 UPS的价格稍高。在线互动式 UPS的性能特点如下。

① 当市电存在时，效率高，可达98%以上。

② 当市电存在时，输入功率因数和输入电流总谐波畸变率取决于负载电流，UPS本身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真。

③ 当市电存在时，输出能力强，对输出电流峰值系数、输出电流浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格地限制。

④ 当市电掉电时，因为输入开关存在开断时间，至使在线互动式UPS输出仍有转换时间，但比后备式UPS要短。

⑤ 当市电存在时，输出电压稳定度低，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状态，对输出电压尖峰干扰有滤波作用。

⑥ 电路更简单，成本低，可靠性高。

⑦ 逆变器同时有充电功能，省掉了后备式UPS的附加整流充电器，其充电能力要比附加整流充电器强得多，当要求长延时供电时，不用再增加机外充电设备。

由于在线互动式 UPS的逆变器与输出直接接在一起，所以输出功率可提高到5～10kVA。为了进一步改善在线互动式UPS的功能，可在输入开关和智能调压之间串接一个电感，目的在于当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，因为串联电感对逆变输出反馈到电网的电流有很强的抑制作用，避免了输入开关未断开时短路逆变器输出的危险，这样做可以使在线互动式UPS的转换时间为零，使其完全具备双变换在线式UPS的转换功能，同时还增强了整个UPS的抗干扰能力。但是，这样做却带来了减小UPS输入功率因数的不良后果。

在线互动式UPS也被称为三端口式UPS，使用的是工频变压器。从能量传递的角度来考虑，其变压器存在3个能量流动的端口：端口1连接市电输入，端口2通过双向变换器与蓄电池相连，端口3输出。在市电供电时，交流电经端口1流入变压器，在稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头接入，同时在端口2的双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节端口3上的输出电压，以此来达到比较好的稳压效果。当市电掉电时，蓄电池通过双向变换器经端口2给变压器供电，维持端口3上的交流输出。在线互动式UPS在变压器抽头转换的过程中，双向变换器作为逆变器方式工作，蓄电池供电，所以能实现输出电压的不间断，同样在由市电供电到蓄电池供电的转换过程中也能做到没有转换时间。

在线互动式UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。其工作过程是市电经过交流稳压器（电网电压调节器）送到变压器的端口1，其功能是将电压稳定度调整到5%，变压器端口2接双向变换器，进一步将电压稳定度调整到2%，然后输出到负载端口3。端口1和端口2是同时工作的，而变压器为具有抗干扰性能的超隔离变压器。这种UPS省去了输入变压器和单独的整流充电环节，所以降低了造价。在线互动式UPS的出现，使得后备式UPS和在线式UPS有机地结合在一起，能充分发挥两者的优势，是一种较好的变换电路。

2.按后备时间分类

（1）标准机

配备有内置蓄电池的UPS称为标准机。由于受体积和重量的限制，标准机仅局限于中、小功率的UPS。标准机一般配置小容量的蓄电池，所以后备时间不长。现行的标准机大多采用7Ah（安时）/12V的蓄电池。功率越大，它所用蓄电池的只数也越多。例如，1kVA的在线式UPS用3只7Ah/12V的蓄电池，3kVA的用8只蓄电池，6kVA的用20只蓄电池。其实，蓄电池的使用只数取决于蓄电池的规格和UPS的充电电压。因为大功率UPS的充电电压比小功率UPS的充电电压要高，所以对于同一规格的蓄电池，大功率UPS所使用蓄电池的只数就要比小功率UPS多。

（2）长效机

需要外接蓄电池的UPS称为长效机，长效机的容量从几百VA到几十kVA可供选择。在实际应用中长效机有着很大的机动性，用户可以根据所需后备时间的长短来确定采用何种容量的蓄电池。UPS的后备时间与蓄电池容量的关系可以根据下式来确定。

式中，C为蓄电池容量，单位为安时（Ah）；P为UPS的额定功率，单位为伏安（VA）；PF为UPS的输入功率因数；U为蓄电池的直流端电压，为单节蓄电池额定电压与蓄电池只数的乘积；η为逆变器的效率，为0.86；C1为蓄电池的放电速率，该值可以根据UPS所需后备时间t的长短在蓄电池的放电曲线图上查得。例如，当t=1h时，C1=0.55；当t=2h，C1=0.35；当t=4h，C1=0.20；当t=8h，C1=0.11。

3.按输入输出方式分类

按输入输出方式，UPS可分为单相输入/单相输出UPS、三相输入/单相输出UPS和三相输入/三相输出UPS。

小功率UPS都采用单相输入/单相输出方式，而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出和三相输入/三相输出方式。对用户来说，采用三相供电时，市电配电和负载配电比较容易，每一相都承载1/3的负载电流。

4.按输出波形分类

按输出波形，UPS可分为输出波形为正弦波的UPS和输出波形为方波的UPS。方波输出的UPS带负载能力差（负载容量仅为额定负载容量的40%～60%），不适合带感性负载，因为感性负载会使方波产生瞬态尖波，从而影响UPS，并对负载设备造成破坏。如果所带的负载过大，则方波输出电压中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。

正弦波输出的UPS的输出电压波形畸变与负载容量之间的关系没有方波输出UPS那样明显，带负载能力相对较强，并能带一定容量的感性负载。

5.按输出容量分类

按输出容量，UPS可分为微型UPS（输出功率小于或等于1kVA）、小型UPS（输出功率大于1kVA而小于或等于5kVA）、中型UPS（输出功率大于5kVA而小于或等于30kVA）及大型UPS（输出功率大于30kVA而小于或等于100kVA）。