1、引言
计算机已在各行各业得到广泛应用。作为直接关系到计算机软硬件能否安全运行的一个重要因素——电源质量的可靠性应当成为中小企业首要考虑的问题。伴随着计算机的诞生而出现的UPS(Uninterrupted Power Supply)现已被广大计算机用户所接受。UPS主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。目前，UPS正在被广泛地应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。
不少电气工程人员在配置电源时，往往比较注重不间断电源(UPS)主机的性能，忽视了对UPS配套蓄电池的选择。不恰当的配套蓄电池选择往往会造成UPS后备时间不足、电池不能放电等事故，严重影响UPS的质量。
2、UPS的工作原理及种类
2.1 UPS的工作原理
UPS电源一般是由常用电源和备用电源通过转换开关组合而成，它们之间由逻辑电路进行控制，以保证在电网正常或停电状态下，整个系统都能可靠地工作。当市电正常时，UPS相当于一台交流稳压电源，它将市电稳压后再供给计算机，与此同时，它还向UPS内蓄电池充电。当市电突然中断时，UPS立刻转为逆变工作状态，小容量的UPS一般能持续供电5～20 min，所以能保证计算机系统的正常退出，使软硬件不受损失。图1为电源UPS原理图。
2.2 UPS的种类
UPS的分类方法多种多样，按功率大小可以分为大中小三种功率容量；按输出波形可以分为方波、梯形波或者正弦波；按输入输出方式可以分为单相入单相出、三相入单相出或三相入三相出；按工作原理还可以分为动态UPS和静态UPS两大类。动态不间断电源是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电能供应的连续性的，这种不间断电源具有笨重、噪声大、效率低、切换时间长等缺点，已被静态不间断电源所取代。静态UPS以蓄电池组为储能工具，市电正常时交流市电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池组中，当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电。根据工作方式的不同，静态UPS又可分为后备式UPS、在线式UPS、在线互动式UPS和Delta变换型UPS四种类型，下面分别加以介绍。
（1）后备式UPS
后备式UPS主要由充电器、蓄电池、逆变器和变压器抽头调压式稳压电源四部分组成。后备式UPS的工作原理如图2所示。后备式UPS具有电路简单、成本低、可靠性高的优点，但是其输出电压稳定精度差，市电掉电时负载供电有一段时间的中断。另外受切换电流和动作时间的限制，输出功率一般较小，一般后备式正弦波输出UPS，容量在2kVA以下，后备式方波输出UPS容量在lkvA以下。
（2）在线互动式UPS
在线互动式UPS，与在线式UPS相比，它省去了整流器和充电器，而由一个身兼二职的逆变器/充电器模块配以蓄电池组构成，其原理框图如图3所示。
在线互动式UPS具有效率高(可达98%以上)、结构简单、成本低、可靠性高的优点，但是它大部分时间由市电直接给负载供电，输出电压质量差，市电掉电时交流旁路开关存在断开时间，导致UPS输出存在一定时间的电能中断。
（3）Delta变换型UPS
Delta变换型UPS又称串并联UPS，它主要由低通滤波器、Delta变换器和主变换器构成，其原理框图如图4所示。
Delta变换型UPS的优点是：①、负载电压由主变换器的输出电压决定，输出电能质量好。②、主变换器和Delta变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿，它们承担的最大功率仅为输出功率的20%(相当于输入市电电压的变化范围)，所以整机效率高，功率余量大，系统抗过载能力强。③、输入功率因数高，可达99%，输入谐波电流小。但是Delta变换型UPS主电路和控制电路相对复杂，可靠性差。
（4）在线式UPS
在线式UPS又称串联调整式UPS，目前绝大多数大中型UPS都是在线式的。在线式UPS一般由整流器、充电器、蓄电池组和逆变器等部分组成，其原理框图如图5所示。
在线式UPS的特点是：①、不论市电正常与否，负载都由逆变器供电，所以当市电发生故障的瞬间，UPS的输出电压不会产生任何间断。②、由于UPS逆变器采用高频SPWM调制和输出波形的反馈控制，可以向负载提供电压稳定度高、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能。③、全部负载功率都由逆变器提供，输出能力受限制。④、整流器和逆变器都承担全部负载功率，整机效率比较低。
从以上分析可以看出，按技术性能优劣排序，其顺序应为：在线式UPS>Delta变换型UPS>在线互动式UPS>后备式UPS。理想的UPS需要具有以下特性：①、输入有很高的功率因数。②、输出电压的谐波畸变率很低，特别是在非线性负载下的总谐波畸变率。③、输出电压有很高稳定度，包括幅值和频率的稳定。④、系统的动态响应速度非常快。⑤、系统有很强抗过载能力和抗负载冲击能力，包括人为的自然灾害。⑥、系统有低的电磁干扰，低的维护费用，低成本，重量轻，体积小。⑦、可多机并联运行以实现冗余式UPS供电系统。
3、UPS蓄电池的种类
UPS要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性。目前，在线运行的蓄电池基本上有两种，它们都属于铅酸蓄电池。
3.1 防酸隔爆铅酸蓄电池
这种电池在早期的UPS系统中使用较多，只要维护得当，会有较长的使用寿命，但由于在运行中存在大量的电解液水分散失，需经常性地测量电解液的温度、密度，往电池内部添加蒸馏水，维护工作量极大，现在的UPS系统中已很少配用。
3.2 阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)
因其体积较小，密封性能好、绝少维护而被广泛应用于各类UPS电源中。VRLA防止电池内部电解液流动有两种技术方法：一种技术是将硫酸电解液与SiO2胶体混合后充满电池内部，制成胶体电池(简称GEL)。这类产品产量较低，约占VRLA电池总量的15%；另一种技术是利用超细玻璃棉将电解液不饱和地吸附住，制成吸液式电池或贫液式电池(简称AGM)。由于后者具有较好的大电流放电性能，在UPS系统中较多采用，国内厂家也大多生产AGM蓄电池。
4、UPS蓄电池的选择
4.1 蓄电池容量(Ah)的选择
蓄电池容量(Ah)是指在标准环境温度下，每2V电池单体在给定时间至1.80V终止电压时，可提供的恒定电流值(A)与持续放电时间(h)的乘积。给定持续放电时间为10h的容量称为10h率容量，用符号C10来表示。蓄电池容量可用20h率、10h率、8h率、5h率、3h率、1h率、0.5h率等多种方法表示，一般采用C10作为蓄电池的额定容量来标称蓄电池。额定容量是蓄电池的主要参数，不少工程人员就认为，两种品牌相同额定容量的蓄电池可以在同一套UPS系统中替代使用。这种观点是有偏颇的，因为两种蓄电池具有相同额定容量，只表示它们的10h放电性能一致，但在10min、30min、lh、3h等时间内可提供的恒功率值和恒电流值则可能差异较大，而UPS后备时间通常不到10h，所以UPS配用蓄电池时，考察其在后备时间内的放电性能就尤为重要。
在已知UPS主机一些基本参数和确定蓄电池品牌后，我们就可以根据这一蓄电池品牌样本资料中提供的恒功率放电数据表或恒流放电曲线，通过功率定型法或电流定型法来计算确定蓄电池的容量和型号。
（1）功率定型法
这种方法比较简便，根据蓄电池恒功率放电参数表可以快速准确地选出蓄电池型号。首先计算在后备时间内，每个2V的蓄电池至少应向UPS提供的恒功率：
P=Scosφ／(ηN·K) (1)
式中：S---UPS标称输出功率；cosφ---UPS输出功率因数；η ---逆变器效率；N---在UPS中以12V电池计算时所需的串联电池个数，由UPS正常工作电压确定；K---系数，厂家提供的电池恒功率放电数据表，一般是以2V单元电池为计算基准的，12V／节电池相当于6个2V单元串联，此时取K=6；如果电池厂家提供的电池恒功率放电数据表是以12V单元电池为计算基准的，则K=1。然后确定蓄电池的放电终止电压UT:
UT=Umin／(N*6) (2)
式中：Umin ---UPS最低工作电压
我们可以在厂家提供的UT下的恒功率放电参数表中，找出等于或稍大于P的功率值，这一功率值所对应的型号即能满足UPS系统的要求。如果表中所列的功率值均小于P，可通过多组电池并联来达到功率要求，一般并联不应超过4组。
下面举例说明：例如一台80kVA梅兰日兰UPS后备15min，已知UPS输出功率因数cosφ为0.8，逆变器效率η为0.94，正常工作电压为384V，最低工作电压Umin为320V，则配套蓄电池组N应为32节(384V／12V)12V／节电池串联，根据式(1)得出P=354.6W，根据式(2)得出放电终止电压UT=1.67V。如我们选用Firstpower电池，根据Firstpower样本提供的在25℃时每单元恒功率放电数据表，查找15min列下等于或稍大于354.6W的功率值为373W，对应的型号为S12V370，其额定容量为100Ah，也就是说，用32节GNB S12V370蓄电池串联，可以满足该UPS系统的要求。如果选用2V／节电池串联，则在2V系列电池的恒功率放电数据表中查出相应型号，整组串联电池数量为6N。
（2）电流定型法
这是根据某一品牌蓄电池的恒流放电曲线来确定蓄电池容量和型号的方法。首先计算UPS系统要求的蓄电池最大放电电流：
Imax=Scosф／(ηUmin) (3)
式(3)中各符号的含义与功率定型法中所定义的相同。在计算出电池串联数量N和放电终止电压UT后，就可以根据UPS要求的后备时间从蓄电池恒流放电曲线中查出放电速率n，然后根据放电速率的定义：n=Imax／C10，得出配置蓄电池的额定容量C10并确定电池型号。
下面仍以80kVA梅兰日兰UPS后备15min系统配套美国Firstpower l2V电池为例来说明。首先按式(3)计算蓄电池的最大放电电流，Imax =212．8A，由式(2)得出每2V单元的放电终止电压UT=1.67V。在sprinter恒流放电曲线图(图6)中，根据后备时间15min(横坐标)和放电终止电压1.67V(纵坐标)，可得出放电速率n为2.13C(容量)。据此可得电池的额定容量为：C=Imax／n=100Ah(即C10)。100Ah所对应的型号为S12V370，即用32节Firstpower12V370电池串联能满足系统要求。
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