山顿UPS不间断电源已经越来越多的应用到人们的生活和工作当中，大家应该都不陌生，都知道它可以提供稳定的电源，在发生断电的情况下，仍然可以在一定时间内保障供电的设备正常运行；但对于UPS电源的分类及其工作原理、高频机或工频机、UPS容量及供电时间、电池选择及计算、冗余并机、以及与EPS的区别等一系列问题，大家就未必都那么清楚了，包括我们这些一直从事相关设计的从业人员；为了弄清楚这些问题，小编通过搜集多方资料，并整理成文，希望大家看这里，能够对UPS不间断电源有个系统而又全面的认识，同时希望通过此文抛砖引玉，欢迎设计同行踊跃提问，共同探讨共同进步。

1 简介

UPS即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分，恒压恒频输出的电源保护设备。它可解决现有电力断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象，使计算机网络系统或其它电力电子设备运行更加安全可靠。

2 分类

按输入输出相数分：三进三出、三进单出、单进单出。

按功率等级分：微型(＜3KVA)、小型(3KVA~10KVA)、中型(10KVA~100KVA)、大型(＞100KVA)。

按电路结构形式分：后备式、在线互动式、在线式。

按输出波形的不同分：方波和正弦波两种。

3 工作原理

3.1 概述

UPS按工作原理分成后备式、在线互动式、在线式三大类。

后备式UPS

市电正常时，则市电经稳压后直接输出负载，同时经整流器将交流电转化为直流电给电池充电，此时逆变器不工作；当市电故障时，由电池提供电力，经逆变器输出负载。

在线互动式UPS

市电正常时，经稳压后由转换开关输出负载，同时经整流器将交流电转化为直流电给电池充电，此时逆变器已经激活，但未输出；当市电故障，由电池提供电力，经逆变器输出负载。

在线式UPS

市电正常时，市电经整流器将交流电转变为直流电给电池充电，同时输出到逆变器将直流电转化为正弦交流电，经转换开关输出到负载；市电输入不正常时，由电池经逆变器输出到负载；当逆变器发生故障或输出功率不足（由于过载、过热等）时，转换开关将自动切换至静态旁路由市电继续供电。若旁通是由于过载引起的，UPS将在负载低于100%时，跳回逆变器正常输出。若旁通是由于过热引起的，UPS将在温度低于报警点时跳回正常输出。

3.2 三种模式对比

对比项

在线式

在线互动式

后备式

市电模式下

 逆变器状态

工作

热备

不工作

输出电源质量

最高

 （不停电、稳压、净化功能）

中等

 （不停电、近似稳压功能）

低

 （仅近似不停电功能）

切换时间

零

4ms左右

5~12ms

功率范围

＞1KVA

0.5~5KVA

＜1KVA

成本

高

中等

较低

4 高频机与工频机

4.1 概述

UPS通常分为工频机和高频机两种。

工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成，因其整流器和变压器工作频率均为工频50Hz，故叫工频UPS。

高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz，甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频，称之为高频UPS。

4.2 高频机与工频机对比

设备项

优点

缺点

工频机

1，适用于恶劣的电网环

 2，对于负载要求相对不高

 3，抗老化能力强

1，传统的模拟电路原理来设计

 2，内部元器件大，体积大

 3，重量大

 4，噪音大

 5，能量损耗大（和高频机效率相差5%左右）

高频机

1，IGBT开关整流技术体积小，重量轻

 2，噪音小

 3，节能环保（输入输出功率因数大）

 4，并机环流小

1，适用于电网稳定环境（温湿度合适，灰尘少）

 2，不适合带感性负载（电动机，打印机，复印机，压缩机等）

 3，抗老化能力差

综上，

基于高频机的特点：尺寸小、重量轻、噪音小，输入输出功率因数大、并机环流小等，已逐步替代传统的工频机，成为UPS发展趋势，但同时对于感性负载（电动机，打印机，复印机，压缩机等）、以及市政电网恶劣的环境场所，工频机是较好的选择。故最终选择高频机还是工频机，仍然结合客户需求、项目定位、安装环境、负载情况等因素综合考虑设置。

5 UPS容量计算

UPS容量计算方法：

UPS容量=负载统计功率 /Cosφ（UPS输出功率因数，一般取0.8）/η （UPS的最佳工作状态为负载70%~80%）

6 供电时间

相关国家及地方规范规定，如下：

1）民用建筑电气设计规范JGJ 16-2008

第6章节 不间断电源装置(UPS)

2）上海市地方标准DB31/T294-2018

第4章节 系统设计和施工要求

3）数据中心设计规范GB50174-2017

附录1 各级数据中心技术要求

（数据中心分A、B、C三个等级，在设有柴发的前提下，UPS不间断电源备用时间分别为15分钟，7分钟，以及根据实际需要确定，具体详见如下表格）

4）火灾自动报警系统设计规范GB50116-2013

第10章节 系统供电

综上，

若开发单位无特殊要求外，按照国家及地方规定要求，在无设置柴发的情况下，通常的弱电系统设置备用电源时长至少1小时；火灾报警系统设置备用电源的时长至少3小时；在设置柴发的情况下，则设置备用电源的时长可为7~15分钟。

若开发单位提出的要求高于以上国家及地方标准，比如通常的弱电系统备用时间2小时、3小时等，则按照业主的需求设置。

（注：开发单位提出的备用时长不能低于国家及地方规范要求）

7 电池选择与计算

以下筛选整理部分的计算方法，供大家学习参考，如有更好的方法，烦请推荐 一起讨论。

一般估算方法：

步骤一，12V单体电池的数量N=V/12

步骤二，电池工作电流I=P总/ V

步骤三，实际电池容量C=I×T/ Kh

备注：

I为电池工作电流（A）；

T为连续放电时间（H）；

V为UPS外接电池的直流供电电压（V），（根据UPS主机产品选型进行查询确定）；

Kh为电池容量换算系数，10Hr（小时）放电率为1，5Hr放电率0.9，3Hr放电率为0.75，1Hr放电率为0.62；

例如，功率为1KVA，电源备用时间4小时，选择某家UPS主机产品，查询V=36V，计算如下：

N=36V /12V=3节

I=1000VA /36V=28A

C=28A×4H /0.9=124AH

电池的配量，选择一，选用100AH一组3节，选择二，65AH二组6节，具体选择哪种方案，需结合用户的需求及成本综合确定。

注：

1，一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V。在应用中，经常用6个单格铅酸电池串联起来组成标称是12V的铅酸电池，还有24V、36V、48V等。

2，12V蓄电池常用容量规格为7Ah、17Ah、24Ah、38Ah、65Ah、100Ah、200Ah等。

相对准确的计算方法：

采用恒电流计算，根据能量守恒原理，按如下公式计算：

C＝（PL×T）/（Vbat×η×K）

其中：

C 为蓄电池容量（Ah)

PL为UPS输出功率，即有功功率（W）

T为电池后备时间（h）

Vbat是电池组电压（Vdc）

η―UPS电池逆变效率（0.90-0.95，根据机型选取）

K―电池放电效率（系数）

K的选取按照如下所示：

K

放电时间<1h

1h<h≤2h

2h<h≤4h

4h<h≤8h

>8h

电池放电效率

0.6

0.7

0.8

0.9

1

根据计算结果，确定电池的Ah容量，分别根据不同品牌电池选取合适的配置。

例如：某产品系列6KVA，电池组电压192Vdc（16节12V的电源串联），UPS电池逆变效率0.94，后备2小时计算

C=（6000*0.8）*2/(192*0.94*0.7)=76Ah，根据计算的结果以及12V电池相应的AH容量进行选择产品。

8 冗余并机

8.1 冗余并机方式及特点

UPS电源给我们带来了电源系统的稳定运行，但是有的时候一台UPS并不能实现对设备的完全不间断保护，即在UPS不间断电源出现故障的情况下,会造成电源系统的中断，所以我们考虑冗余技术来解决这个问题，以应对数据重要或者高精密设备场所。 

UPS电源冗余设置主要包括并联冗余方式和串联冗余方式，鉴于串联冗余方式存在以下弊端，故目前主要采用并联冗余方式。

1）主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障。

2）在市电故障及市电超限时，UPS封锁旁路，主从机无法切换，造成热备份失效。

3）备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电池寿命。

接下来，主要介绍并联冗余方式：

并联冗余的本质，是不间断电源均分负载，将多于两台同型号、同功率的UPS电源，通过并机柜、并机模块或并机板，将输出端并接而成。

基本原理：正常情况下，两台UPS均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的一台UPS承担全部负载。

要实现并联冗余，前提条件如下：

1）每个UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率；

2）每个UPS逆变器输出电压一致；

3）每个UPS电源必须均分负载；

4）UPS不间断电源故障时能快速脱机。

不间断电源并联冗余的优点：

1）并机运行的UPS独立控制电压与相位，没有公共控制部分，不存在瓶颈故障；

2）并机调试非常简单，只需每台UPS不间断电源参数设置完毕，即可投入并联运行；

3）由于采用DSP控制技术，并机运行的每台UPS输出滤形，电压都非常一致，因此并机环流很小；

4）在并联系统中任意一台UPS故障时，DSP控制技术可以在正弦波的任意一点切换，使故障UPS快速脱机，由其它UPS继续不间断地供电；

不间断电源并联冗余的缺点：

1）由于要求功率均分，因而调试困难；

2）并机柜系统如发生故障，将中断整个系统供电；

注：并机数量不超过四台为宜，否则会出现环流及其他的故障。

8.2 冗余并机设计要求

数据中心设计规范GB50174-2017附录1 各级数据中心技术要求

（数据中心分A、B、C三个等级，不间断电源冗余要求分别为2N或M(N+1)、N+1、N，详见如下表格）

以上为数据中心对不同等级设置冗余的要求，对于常规的弱电系统机房，包括消防安防机房、通信网络机房，若无特殊要求外，通常参照数据中心C级标准设置。

9 UPS与EPS区别

9.1 EPS概述

EPS（Emergency System）是一种允许短时电源中断的应急电源装置，主要针对城市中高层建筑中的应急照明、消防设施以及特别重要负荷，尤其在解决照明用电或只有一路市电缺少第二路电源，代替发电机组构成第二电源或在需要第三电源的场合使用时，能够收到非常好的效果。

EPS电源装置在供电网络正常供电时，其应急供电系统处于“睡眠”的充电浮状态，只有在应急状态下才为负载供电。

9.2 UPS与EPS对比

对比项

UPS

 （不间断电源）

EPS

 （应急电源）

工作原理

不论市电是否正常，都一直由逆变器供电，只有在逆变器故障或过载时才改由旁路供电。

EPS有点类似于后备式的UPS，平时逆变器不工作，市电断电时才投入蓄电池。

优点

具备稳压、滤波等功能；

 输出精度高；

转换时间快；

结构较简单，造价较低；

 主机寿命长；

 抗冲击能力强；

切换时间

零或毫秒级

0.1～0.25S

造价

较高

较低

寿命

主机寿命较短（8-10年）

主机寿命长（15-20年）

综上，

基于UPS特点，具备稳压、滤波等功能、输出精度高、电源质量稳定、可靠、转换时间快等，故主要适用于计算机、数字信息系统等对供电质量要求较高的负载；EPS主要适用于消防类负荷以及一些对切换时间要求不高，但需要持续供电的设备。