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机架式模块化UPS与塔式UPS电源的比较

机架式模块化UPS不间断电源在功率器件技术和制造工艺方面继承了传统UPS技术发展的成果，但在系统架构方面，以多模块并联为基础，不仅实现了系统模块的热插拔，而且更好地处理了系统模块独立运作、相互协作和平稳转换的关系。 
1946年，美国货车司机马尔科姆.麦克莱恩研制发明集装箱运输货物获得成功，1956年，他的**支集装箱船队“理想六号”驶出了纽瓦克港。从此**储运史悄悄地翻开了新的一页。

一种简单的装储形式的变革—集装箱用于储运，码头装卸时间大大缩短，由数天压缩到数小时，而且每一艘船只的储运量比以前提高了五倍，美国到欧洲的货运时间足足减少了四周。

如今,一种机架式的模块化UPS也正在或即将悄悄地引起一种这样的变革。

按标准化模式生产的UPS

机架式模块化UPS相对于传统立式(塔式)结构UPS而言，能够安装在标准机柜中，节省占地面积与空间，便于安装、使用及维护，能够使用较短的功率连接电缆。通过减少关键设备与负载之间的故障点，模块化UPS不间断电源可提高整个系统的可用性。

从设计和工作的原理方面来讲的，模块化UPS包括整流器、逆变器,有些还包括静态旁路开关及附属的控制电路、CPU主控板等。模块化**的优点是能够提高系统的可靠性和可用性，任何一个模块出现故障并不会影响其他模块的正常工作，而且可通过热插拔特性缩短系统的安装和修复时间。

除此之外，模块化UPS能够给用户带来更好的可扩展性，这也为用户的投资起到了很好的保护作用。

和集装箱在工厂就开始装货的道理一样，机架式模块化UPS的安装调试也是在工厂就开始的。以标准化的模块为基础的UPS，在产品的设计、生产、制造过程中，可以制定统一的标准，让整套系统中的所有部件都能发挥出**性能，同时也可避免因兼容问题而出现的系统故障。

机架式模块化UPS可以根据当前的业务需求进行配置，并且能在以后添加更多模块。这种系统的优化能力显著降低了总拥有成本。

模块化设计在重新配置功率以满足不断变化的业务需求方面，提供了极大的灵活性。在安装、升级、重新配置或移动模块化系统时，独立组件、标准接口以及简单的操作既节省了时间又节约了费用。

供电系统实现随需应变

机架式模块化UPS电源与传统UPS相比有相当大的优势。它的优势有主要有以下三个方面：

安装简单，扩容方便，节约投资。

机架式模块化UPS不间断电源使供电系统能随需应变，让容量随着业务的发展而实现“动态成长”。既满足了后期业务的扩展需求，又降低了用户的初期购置成本。

并联冗余，运行稳定，可靠性高。

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在机架式模块化UPS中，功率模块部分是并联冗余的，每个模块都配有输入、输出保险和输入、输出继电器，任一个模块发生故障，不影响整个系统工作。

在传统UPS产品中，用户保障安全一般采用的是“1+1”或“N+1”并联冗余方式，只能容错一次。在机架式模块化UPS系统中，用户只需要购买相应的功率模块，即可实现“N+X”的故障冗余。“模块化冗余并联结构”比传统UPS更为可靠。

维修方便，在线处置，可用性高。

传统UPS电源需要专业技术人员到现场维修，模块化UPS所有模块都允许热插拔，用户可以介入维护，直接在线更换UPS备用模块。

机架式模块化UPS在功率器件技术和制造工艺方面继承了传统UPS技术发展的成果，但在系统架构方面，以多模块并联为基础，不仅实现了系统模块的热插拔，而且更好地处理了系统模块独立运作、相互协作和平稳转换的关系。

机架式模块化UPS目前比较有代表性的结构有两类。

一类是功率模块化UPS。功率模块化机架式UPS由机架加功率模块构成，功率模块中包括传统UPS的整流、滤波、充电、逆变器等部分。但静态旁通与系统的部分监控和显示共用一个机架的。各模块独立控制并联运行，机柜上部的显示控制模块仅作为用户开关UPS主机和进行网络化监控平台。

另一类是完全模块化UPS。该类机架式模块化UPS由机架加单体模块构成，每个单体模块内都装有整个UPS电源与控制电路，包括整流器、逆变器、静态旁路开关及附属的控制电路、CPU主控板。每个UPS模块均有独立的管理显示屏。

就相对目前的电力电子技术和元器件发展水平而言，两类结构各有优势，也都有很出色的代表性产品，都可提供采用**的分散并联技术，使UPS系统不受集中控制技术中的可靠性限制，避免瓶颈故障的发生，提供N+X并联冗余功能的模块化并联系统。

普及应用还需突破价格关

目前制约机架式模块化UPS发展的难点主要集中在功率密度的提高和并联数量的增加及降低价格三个方面。

机架式的模块化UPS不间断电源从传统立式(塔式)结构过渡而来，相对传统立式(塔式)结构拥有宽阔的散热通道，大尺寸大功率的散热风扇的庞大体积而言，模块化UPS由于要便于单体更换操作，模块的体积重量都较小。

受到体积的限制，在UPS模块功率加大的情况下，散热就成了大问题。为了能达到安全工作的目的，模块化UPS不但采用原有的被动式散热、主动式散热、轴流式散热和风道导流式散热技术，还引入了热管式散热。

为确保电源的**高可用性、可扩展性，模块应该不限制数量地进行并联使用。

在多台UPS并联时，其中**的指标就是电流均分，也就是说如果N台UPS并联，必须保证每台UPS的输出电流是总输出电流的1/N，至少其相互之间的**不平衡度要在要求范围内（一般是小于2%）。

在实际应用中，所有UPS的输出阻抗不可能一样，加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差，则各个UPS的电压既有相位差又有幅值差，这些都限制了并联台数的增加，进而限制了整机功率的提高。

在同一功率水平下，模块化UPS比传统的UPS价格贵的多。

把机架式的模块化UPS价格降到用户可接受的范围，是摆脱机架式的模块化UPS系统目前的市场占有率不高、用户群只能是那些有一定经济实力且对业务系统的可靠性、可用性要求比较高的客户，全面占领市场的惟一办法。

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未来，随着电力电子技术的不断发展，对UPS不间断电源系统需求的不断提高。像贸易的交流催生了集装箱技术，集装箱技术引发了全球运输业革命性的变革一样，机架式模块化UPS必将引起不间断电源新的革命，进而成为未来UPS系统发展的趋势

模块化UPS电源包括整流器、逆变器、有些还包括静态旁路开关及附属的控制电路、CPU主控板等。模块化**的优点是能够提高系统的可靠性和可用性，任何一个模块出现故障并不会影响其他模块的正常工作，而且可通过热插拔特性缩短系统的安装和修复时间。

伊顿UPS在中国联通北京公司数据机房UPS系统的设计方案

一． 项目概述

中国联通于2009年在原中国网通和原中国联通的基础上合并而成，是中国**一家同时在纽约、香港、上海三地上市的电信运营企业。截至2008 年底，资产规模达到5266.6亿元人民币。中国联通为能更好的利用资源拓展商机，在提升自身竞争力的同时，为大众提供更周到全面的服务，将原IDC数据机房进行了全面的改造升级，并对机房中起保护作用的UPS不间断电源设备，采用公开招标选购。中国联通北京分公司更要求所需产品必须性能安全稳定、“绿色”节能、便于安装、调试、使用、维护，更重要的是要具有方便的扩展功能，以应对未来业务的需求。

在此次招标中，伊顿UPS公司作为全球第二大不间断电源及控制系统生产商，再次凭借过硬的产品、周到的服务、完善的解决方案，获得招标方的青睐，成功拿下该项目订单。为中国联通北京分公司提供12台300KVA 9395系列产品，为其计算机机房“书写“绿色”、安全、稳定的新篇章。

二． 数据机房UPS系统设计原则

1． 安全稳定的新型不间断电源系统

伊顿9395UPS采用双转换在线式结构设计，专为**关键的敏感负载提供纯净、不间断、高质量的电力保护，以确保负载处于**安全、可靠的运行状态并有效延长它们的使用寿命，足以确保数据中心持续稳定的电源供应。

2． 绿色环保

伊顿9395在设计之初就引入使用可持续材料和高效率的制造工艺，使产品在市场上的碳排放**，仅在使用维护中就能够节约大约80%的能源需求；而新型的无变压器设计，通过减少钢、铜等原材料，减少有害物质，使产品单位重量减轻，在运输过程中减少20%的碳排放量，降低了运输成本。

3． 便捷的安装与测试

简便易行是中国联通北京公司对UPS产品的重要参考标准。9395轻便小巧的机身便于运输与安装；与生俱来的负载测试功能，避免租用昂贵的假负载做满载测试，简化了测试程序。

4． 灵活的容量升级与扩展能力

规模庞大的工程要求灵活的扩展功能与之相适应。伊顿9395独特的模块化装配构架及智能化增容结构设计，使UPS的N+1并机冗余及容量扩展工程变得极为简单，充分满足了黑龙江国税局对未来容量升级、后备时间延长等变化的需求。

三．系统配置

在电信机房不间断供电系统设计中，为了确保重要负载不会因为UPS、电池、输入和输出配电系统出现故障造成断电现象，采用双总线UPS供电系统是一种**解决方案。

双总线供电系统的高可靠性体现在以下方面：

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1. 确保在有一套UPS出故障时，仍然能够为所有负载提供不间断的高可靠的电源。

2. 双总线供电系统带来了负载用电可靠性的显著提升，从输入配电到输出配电，每个环节均采用备份冗余方式，消除系统上的任何单独故障，为电信的安全可靠运行提供全方位的保护，并使对负载的供电可靠性达到 99.9999%甚至更高。

---- 对于双输入负载，采用双路电源供电，每一关键设备的输入均来自两条母线配电开关。

---- 对于单输入负载，将双母线上的电力经过STS自动电子转换开关，转变成单路的电源，再向负载提供精密供电。STS完成的功能是当一路输入电力故障时，STS能够在6ms内切换到另一路输入上，保障关键设备不间断运行。

3. 在随着电信业务的不断增长，对负载设备进行扩容时，只需对现有的UPS系统进行扩容即可，为客户节省二次投资成本。

为每套系统根据后备时间要求配置相应数量的免维护铅酸BB蓄电池，9395 UPS系统可以定期自动对电池组进行充放电和性能检测。

在UPS输入端和输出端分别配置输入配电柜和输出配电柜，并在配电柜中配置相应的电压，电流和其他参数检测装置。

选购ups不间断电源的几个要点

选购UPS电源的采用以下6条基本标准：

1、质量**。“质量**”是选购UPS的**基本标准。通常来说，UPS的质量主要表现在具有高可靠性与高运行效率，具有不间断与**供电能力，有很强的负载适应能力与环境适应能力，同时在工作过程中应该有电磁污染小、保护功能完善、操作便利、可维护性好及安全性能高等特点。

2、维护方便。用户在选购UPS时，一定要考虑产品是否具有智能化的管理功能。选择这样的UPS会给以后的使用和维护带来很大的方便。

3、类型对口。由于UPS电源有各种各样的类型，不同的类型其保护的对象与保护的功能大小也是完全不同的。这就要求用户在选购之前，要明确选购UPS电源到底是为了保护什么，然后根据保护要求，选择与实际应用相对口的UPS产品。

4、功率匹配。用户在选择UPS时**先把需要保护的设备的功率计算一下，然后选择一个功率至少和需要保护的设备要求一样大功率的UPS电源。

5、重视测试。为了确保自己挑选好的UPS产品能符合实际要求，用户在选购好UPS电源之后，还必须通过现场测试来确认一下所选的UPS是否与实际需要的相符。测试内容主要包括对UPS电源的启动检查、报警和自动关机检查、电池供电/充电时间检查、市电/电池切换点检查等。

6、追求服务。中小功率UPS产品正逐渐向二、三级城市拓展，厂商的本地化服务水平、响应的及时性也成为用户选择UPS产品的重要因素之一。

UPS不间断电源应该怎样除尘

在购买的UPS不间断电源使用环境与UPS不间断电源性能和使用寿命有着密切的关系，一个好的使用环境UPS不间断电源不仅可以发挥出卓越的性能，而且还可以延长使用寿命1-2年，如果使用的环境灰尘比加大，我们就要定期对UPS不间断电源进行除尘，下面让我们工程师给大家讲解一下怎样对UPS不间断电源进行除尘。

在线式UPS不间断电源使用半年左右就应对UPS内部灰尘进行清理，首先我们先打开UPS主机箱，你会看到UPS的线路板、散热器上布了一居灰尘，这些灰尘影响着UPS的散热。然后用皮名虎吹仔细的吹一下，能让ups不间断电发出的热量尽肯能地散发出去。

我们有一个客户，购买了一台ups不间断电源使用了大约1年左右，有一天ups不间断电源开机之后使用了一会就自动关机了，客户找不到原因，然后我们工程师上门进行检测发现主机里面灰尘太大了，造成主板的温度过高，开机一会就因为温度过高造成关机。所以我们在使用UPS不间断电源一定要定期保养。

大家如有UPS不间断电源技术问题随时可以咨询我们，我们会在**时间为您解决，我司是专业生产及销售UPS电源的厂商，欢迎大家来电咨询订购。158 1140 0175 于尹邦

UPS不间断电源输入开关跳闸分析及解决办法

市电正常时，高频在线式不间断电源空载启动，当UPS不间断电源接到开机命令后，开机电路开始工作。主电路首先通过旁路输出。当CPU检测到逆变器工作正常后，发出控制信号，驱动输出继电器动作，切断旁路，接通逆变电路，完成UPS不间断电源的开机过程。过程中会出现漏电断路器(漏电开关)跳闸的现象。

UPS不间断电源系统输入端安装漏电保护器的主要目的是要保护人身和设备的安全。因为，当系统中的电气设备绝缘性能下降时，不仅电气设备存在隐患，而且威胁到工作人员的安全。

造成漏电保护器跳闸的主要原因是UPS不间断电源系统在启动或切换过程中产生了瞬时漏电流(非稳态或动态漏电流)。是当输出继电器动作，接通逆变电路时，在等效电阻r、电感L和电容C串联电路接通正弦电源的过渡过程中产生的电流。在这种过渡过程中可能产生较大的振荡衰减的漏电流。其中，L=L1,C=Cy。其简化电路如下图所示。

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为解决上述问题，可以在UPS不间断电源电流输入端安装JPJ-AR自动重合闸漏电保护器。其具有排除瞬时性故障，隔离**性故障的特点;且有欠压保护、过压保护、过流保护、漏电保护、自动重合闸等功能。

更新换代 高频UPS电源有点众多

以往的UPS（所谓的工频机）为IT业的发展立下了汗马功劳，但也暴露出一些问题：结构复杂、体积庞大、工作效率低、发热严重、对电网电压波形破坏大，等等。国际上就针对这些问题经过数年的研究推出了称为高频机的UPS产品。目前在高频机领域中已成功推出换代800kVA以下的产品当属深圳山特。

高频机UPS的节能效果

根据计算100kVA 的高频机UPS 每年要比同容量的工频机UPS至少节约5万度电。可惜目前一般厂家的高频机UPS多在200kVA左右，对付中型机房尚可，对大型机房而言就太吃力了，以前只好用工频机UPS去堆积。比如5,000kVA容量的中心机房，就要用十几台400kVA容量的工频机UPS去并联，再加上前置滤波器和输出变压器，就占据了相当大的机房面积，以12台400kVA UPS为例，每年就比高频机UPS多消耗2,400,000度电。如果用高频机UPS将这些电节约下来，就会产生很大的社会效益。
尽管高频机UPS的大功率技术一直在烦扰着众多的生产厂家，但也并非不可克服，深圳山特首先异军突起攻克了这个堡垒，一举将高频机功率做到了250kVA~800kVA。这样一来就为用户的大量节能前景开辟了道路。

高频机UPS的环保亮点

环保不好，一直影响着人们的身心健康，所以“减排”也是一项基本国策。电子设备的环保有三个方面：可闻噪声、电噪声和大气污染。长期在计算机机房服务的人员都有这样的经历：以往工频机UPS电源的叫声很大，功率越大，叫声越大，吵得人头昏脑胀，影响工作效率！同时工频机UPS还破坏电网，影响同一路电网上其他用电设备的正常工作。为了解决这个问题就不得不在前面加庞大的谐波滤波器或相应的装置，既增加投资又增加了功耗，还多占用了宝贵的空间。而高频机UPS就根本没有这些噪声发出，也几乎不破坏电网，也就从根本上避免了这些烦心的事。至于大气污染，目前**的高频机UPS都要遵守国家和国际上的ROHS指令。用户在购置机器时也应当作为一个重要事项提出来。

高频机UPS的强大带载率

相应国际上的环保要求，新的IT设备都对输入电路作了改进，使其接近线性负载，换言之，负载功率几乎都是瓦特。这样一来，使得原来工频机UPS负载功率因数为0.8的产品相形见绌。
比如一个新机房所购设备的总功率为1500kW，一般工频机UPS的配置就是400kVA×5=2000kVA，按照0.8的功率因数去乘，可得1600kW，只有100kW约6.7%的余量,显然出于安全考虑，用户应再增加一台机器。但如果用负载功率因数为0.9的UPS情况就不同了，那时2000kVA就可给出约1800kW的容量给负载，就有300kW约20%的余量，符合了配置容量的安全点，而且再也不用额外增加机器。
拥有这样功率因数的厂家不少，但在200kVA以下者居多，有资料显示大功率的负载功率因数是0.8，这就为中大型机房的建设带来了福音。那些200kVA以下容量的负载功率因数为0.8的UPS只有在中小机房中才能充分发挥其优良作用。

UPS电源三相不平衡的危害和影响

三相不平衡是指三相电源各相的电压不对称。是各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。发生三相不平衡即与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。《电能质量三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)适用于交流额定频率为50赫兹。在电力系统正常运行方式下，由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。 
对变压器的危害。在生产、生活用电中，三相负载不平衡时，使变压器处于不对称运行状态。造成变压器的损耗增大(包括空载损耗和负载损耗)。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。 对用电设备的影响。三相电压不平衡的发生将导致达到数倍电流不平衡的发生。诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生震动，输出亏耗等影响。各相之间的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护的成本。
断路器允许电流的余量减少，当负载变更或交替时容易发生超载、短路现象。中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线增粗。 
对线损的影响。三相四线制结线方式，当三相负荷平衡时线损**小；当一相负荷重，两相负荷轻的情况下线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，而第三相的负荷为平均负荷的情况下线损增量较大；当一相负荷轻，两相负荷重的情况下线损增量**。当三相负荷不平衡时，无论何种负荷分配情况，电流不平衡度越大，线损增量也越大。

UPS电源需求持续增长 国产UPS品牌如何抓住机遇

UPS电源进入中国已经过去二十多年，国内市场份额现如今已经被国外品牌占领了七成，国内企业在这个信息时代如何抓住机遇才能抢夺UPS市场份额呢？

我国UPS电源发展近况

国外在不间断电源上起步于上世纪70年代，国内起步于80年代后期，起步差距十几年。

UPS电源企业总体规模与销售额分布：UPS电源企业规模较大的销售额超过2亿元的企业有5家，1亿～2亿元的企业有5家，5000万～8000万元企业有15～20家，2500万～5000万元企业约有274家，500万～2500万元企业有1380余家，其他有300多家。

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国内UPS电源市场总容量：根据相关统计，2006年国内信息设备用UPS电源市场总销售额达26.1亿元人民币，2007年总销售额达到27.4亿元人民币。工业动力UPS电源系统设备中大功率UPS年市场需求也达近30亿元人民币。我国UPS电源年市场需求总容量应该在50亿～60亿元人民币，市场需求巨大。

国内中大功率UPS电源市场容量：中大功率UPS是不间断电源行业中的高端产品，据统计,2006年中国中大功率UPS电源市场销售额为22.1亿元人民币,同比增长7.3%。**认为，如果加上工业动力设备用的大功率UPS电源需求，市场销售额应有相当比例的上升。

工业动力设备用不间断电源市场需求

在电信、金融等行业的采购规模与以前相比出现了稳步增长期间，有专业机构作出的调查表明，由于这两个行业的硬件投资比重会逐渐减少，加上这两个行业的UPS电源保有率较高，因此其UPS电源需求不太可能出现大的增长，预计未来的市场份额将逐渐下降。相反，一些以往占市场比重不大的行业如制造业、交通业、能源业等对UPS电源的需求呈现出**增长的势头，特别是制造业中，中小企业的大规模崛起，更成为带动UPS电源市场增长的新动力源泉。

工业动力UPS电源系统设备市场销售额随着工业自动化成套设备和设备更新改造的飞速发展，工业动力大功率UPS电源系统设备市场在2000年后开始发展，2003年出现加速，平均增长率达到16%，2006年1至9月更是达到18%。随着重工业化时期的来临，中国工业化、城市化进程加快，全球产业链加速向中国转移。依据相关统计数据，分析其数据特征，我们预测工业动力UPS电源系统设备市场未来五年的销售额平均增长率将达到17.5%，潜力巨大。

对本土UPS电源行业发展的建议

1、企业加大研发和技术投入，争取达到国际**水平

不间断电源是网络、信息建设可靠运行的电源保障，是信息化和国防安全的一个重要设备，因此，本土品牌的不间断电源厂家必须加大技术和研发投入，提升综合实力，制造高质量的不间断电源产品，保障我国经济建设的顺利进行。并且在有条件的情况下，争取出口，获得国际市场份额。

2、国家对电力电子、不间断电源产业重点支持

2006年中国科技研发投入达到历史**高的2943亿元，占国内生产总值的1.41%。尽管这一数字显示出中国政府和企业在推动自主创新方面的努力，但迅速攀升的投入难以掩盖中国科技自主创新能力仍然不足的现实。基于不间断电源高技术的特性以及对国家工业自动化建设和国防安全的重要性，国家应该加大对电力电子行业、不间断电源等行业的支持力度，促进我国电力电子行业的稳步发展。

数字控制成为UPS控制技术发展方向

现已广泛采用与传统谐振式ZUS、ZCS软开关不同的广义软开关技术，来减小开关损耗，提高开关频率。这种软开关就是一种无损缓冲电路，它不但能使开关过程软化，而且还具有电路简单，不需要附加谐振网络，成本低廉的特点。输入端加装高效输入滤波器和有源功率因素校正器，并采用串并联补偿技术，来降低输入电流失真度，减小UPS电源对市电电源的污染，使其向绿色电能变换型发展。为实现UPS电源小型化，减小输出变压器即输出滤波器的尺寸，减小电磁干扰，防止高频变压器的饱和，目前在韩国采用的是串联谐振逆变器，再经过隔离变压器和变频器组成高频连接的UPS。

数字控制已成为新型UPS控制技术发展的主流，即广泛应用数字处理器DSP，尽可能使控制电路全微处理器化。因为数字控制器具有精度高，抗干扰能力强，易于实现对UPS的检测，故障诊断和隔离，易于实现遥控遥测，易于实现多台UPS的并联和热插拨，易于实现对BB蓄电池的监控和管理，也就是说，计算机的介入可以使UPS实现智能化管理，可以使电源运行在**化状态。

BB蓄电池是UPS的心脏，目前UPS一般都使用免维护密封铅酸BB蓄电池，美国还运用了高功率铅一空气备用电源装置(RPU)取代BB蓄电池。为增大电池的使用寿命，目前使用一种三阶段电池管理方案，即恒流均衡充电，浮充充电和自然放电三大阶段，以防止过充、过放。现已引入以微处理器监控技术为主的电池管理体系，随时观察电池的充、放电状态，对电池充、放电进行双重保护。

采用冗余技术和热插拨技术。采用智能化UPS的管理系统。所谓智能化UPS，是指将传统的UPS与计算机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件，以提供计算机及数据资料的双重保护，保证UPS在完成基本功能外，还能对一切故障进行检测，显示和处理等，完全实现网络化监控管理。

山特UPS不间断电源针对电机类负载的适应性设计

在一些需要保证负载不断电的应用场合里面，有时客户会发现UPS频繁出现DC BUS高保护，或者负功保护等。一些客户会据此认为是UPS的质量问题。实际上多数情况下这都是由于后面带有电机类负载产生的现象。在工业场合中，电机是一种主要的负载形式。当工业应用中的关键环节必需有足够高的电源保护等级时，UPS与电机类负载的配合问题就是一个要重点考虑的因素。

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通常UPS的设计初衷是保护关键IT类设备，在电路结构上就主要基于IT类设备的特点进行设计。比如目前IT设备的主要是使用开关电源，而且欧盟法规规定75W以上的设备都要具备功率因数校正。因此UPS主要面对的就是带有功率因数校正的负载，在通常情况下其特性是一个功率因数接近于1的恒功率负载。在大功率电气设备方面，还有一些旧的设备在使用，这些设备通常是基于6脉波整流或者12脉波整流技术，特点是一个恒功率的非线性整流负载。

无论是带有PFC的开关电源，还是脉波整流电源，其功率的实部都只能是正的，能量不会反灌回市电，因此在UPS的设计中更加重视的是在恒功率负载下的可靠性，以及在带有非线性的整流性负载时的谐波控制能力，以及电压稳态精度与动态恢复速度，而不会特别要求具有能量回馈的能力。特别是在UPS带有大量智能化的设计之后，往往会把能量从负载回馈到UPS的直流母线作为一种故障状态来对待。因此在带有电机类负载的时候，电机再生发电产生的能量很容易触发UPS的保护条件。

另一方面，UPS在电路架构上常用的结构是整流+电池升压+逆变器的结构，很大一部分UPS的整流和电池升压部分都是使用Boost或者变形的电路，能量仅能从市电和电池流动到直流母线上，而不能反向流动。这样即使软件上允许能量回馈，但是当发生能量回馈时，由于能量都储存在直流母线上，造成直流母线升高，**终仍然会导致UPS跳脱保护。

电机负载的特性与IT设备常见的开关电源完全不同，表现为具有启动/制动等诸多工作状态，而且随着电机后面所带负载的不同会有非常大的差异，完全不像IT类开关电源那样只有带载/卸载。因此具体的解决方案也需要考虑电机后面所带负载的情况分别进行处理。

电机在启动时有很高的瞬态冲击，如果没有额外的辅助措施，就需要UPS电源能够在瞬时供应非常大的功率。针对IT设备设计UPS一般仅仅是根据短时间内2倍功率设计，而有的UPS则是仅有1.5倍。对于再大功率的负载，软件限流算法或者硬件的限流线路就会发生作用，从而影响电机启动。不过好在UPS一般都设计有Line Support功能，当负载功率大时能够通过旁路供电来解决。但是在电池模式下，无法通过旁路分担功率，就存在电机启动过程异常的可能。为此对于瞬间供应电流的能力非常关键的场合，就需要选择更大功率的UPS。

电机在制动时具有能量再生，此时回馈的能量并不仅是电机本身储存的能量，还可能包含了电机后面连接的负载所具有的惯性以及势能所储存的能量。以电梯为例，当电梯上升时需要电机提供能量，而当电梯下降时如果电梯的重量超过下降过程中的阻力，就会成为一个发电设备，带动电机发电，这样再生出来的电力就有可能反灌回UPS。

此外，在带有电机的应用中还有另外一个因素需要加以考虑，就是变频调速装置。不同的变频调速装置对于UPS系统的影响也是不一样的。

在输入端是一个六脉波整流以及附加的直流或者交流侧滤波器，而在直流母线上连接有制动电阻。当电机发生能量回馈时，变频器的直流母线会被充高。在直流母线达到预设的电压点时，通过开通制动电阻控制来消耗掉回馈的能量。这种做法是目前工业界**普遍的方式，其优点是简单可靠，而且对于UPS来说变频器就是一个标准的非线性整流负载，与IT类负载非常接近。当然其缺点则是电机回馈的能量被转换成热量消耗掉，没有重新利用。

为了节约能源，部分高端变频器采用了背靠背的结构，而普通变频器也可以通过添加能量回馈模块来把电机回馈的能量返回输入端。见下图所示。

对于这类变频器来说，电机再生的电能仍然会回馈到UPS里面，使得UPS面临与直接连接电机类似的问题。

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还有一类特殊的变频器使用了矩阵变换器的结构，见下图所示。由于其中没有储能元件，所有的能量都直接在输入输出端传递，对于UPS来说与直接连接电机也没有区别。

当然，如果UPS直流母线具有足够大的容量，电机回馈的能量导致的直流母线充高在能够接受的范围内，那么由于给电机提供的平均能量仍然是正的，UPS就仍然可以放心应用。但是通常情况下UPS都没有那么大的直流母线电容，因此必须考虑另外的方式来解决电机负载能量回馈问题。出于简单起见，这里仅讨论UPS单机下的解决方案，在并联系统里面的负功率保护问题牵涉到很多其他的并联系统模块设计的问题，并不仅仅是电机再生能量的处理。

部分UPS在电路架构上是使用完全双向的结构，见下面图中所示。其中PFC，逆变甚至电池DC/DC都可以保证能量双向流动。

从原理上来说，只要软件上解除在PFC级和逆变器的复功率限制，这种UPS完全可以工作在双向模式下：当电机发生能量回馈时，在市电模式下，通过PFC把能量反馈回市电;在电池模式下，通过双向DC/DC把能量反馈回电池。但是这里面有一些必须考虑到的因素，比如：

电网是否允许能量回馈?

能量回馈电网需要满足那些规范?

电池允许的充电功率有多大?

首要的问题是电网方面是否允许再生能量回馈。不同地方的电网对此的要求可能会不一样，对于一些功率特别大的负载，电网出于稳定性考虑可能不希望能量回馈。如果输入端使用的是通常的柴油发电机，那么是不能回馈能量的。

在允许能量回馈电网的前提下，必须考虑此时面对的安全问题，这是太阳能发电系统已经面临过的。当能量向电网回馈，而电网由于此时断电的话，就会出现所谓的孤岛效应问题。而电网如果在回馈过程中出现短时间低电压等异常情况，UPS的能量回馈也应当正常工作一段时间。为此适用于可再生能源发电的技术，比如孤岛检测，低电压穿越等技术就业需要配备在UPS上。

在电池模式下，常用的铅酸BB蓄电池在充电和放电时所允许的电流是不同的，充电时的**电流要小得多。这就意味着如果负载回馈能量很大时，充电电流就也会很大，为此在电池模式下兼容电机负载就需要使用足够多的BB蓄电池组来分摊充电电流。另外一方面，一般UPS的充电功率是根据常见电池组的容量来配备的，如果要加大充电的功率，这部分电路也需要特别设计。

对于其他电路架构的UPS，比如下面一种常见的结构，其电池升压和PFC都是单向工作的，这就意味着电机再生能量是无法反灌到市电或者电池的，必须另外想办法。

在市电模式下，**简单的方式不外乎采用旁路解决。只要发现负载回馈的能量过大，就把UPS转到旁路模式下，通过旁路来吸收电机再生能量。不过这一方法只有在旁路真正是市电，并且正常情况下可以使用，因此其应用是有一些局限性的。如果要求UPS不管在市电还是电池模式下还是使用发电机做输入都能搭配电机负载工作，就必须还要有其他的方法。

另外一种不受市电和电池模式限制的简单方式就是像变频器一样加入制动电阻来消耗多余的能量。这一设计在变频器上已经非常成熟，可以很方便的移植到UPS上使用。由于传统上UPS并不具有专门为制动使用的IGBT，所以需要把制动电阻和制动IGBT单独设计为一个模块，根据需要来作为可选的附件来使用。

能量回馈模块也是变频器上成熟的技术，当然也可以用到这里。但是能量回馈模块的原理也是把电机回馈的能量转成交流返回给市电，为此在电池模式，或者在输入是发电机的情况下，能量回馈模块也是不能使用的。

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在UPS的充电器设计中，一种常用的做法是从直流母线取电，通过电路降压后给电池充电。在这种方式下，就给电机能量回馈的处理提供了一个变通的方式：无论在市电模式还是在电池模式下，都通过充电器把多余的能量转给电池储存。当电池充到某一个程度时就转到电池模式，把能量释放到一个相对低的水平。这样通过略微降低一点电池后备时间，可以换来电机负载问题的解决。这个过程见下图所示。

在市电模式下，能量是从市电Mains，经过PFC，DC BUS，INV产生交流电压输出提供给负载，同时充电器从DC BUS取电，给电池充电。在电池模式下，电池能量经过DC/DC，DC BUS和INV提供给负载。