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选择最佳 UPS 拓扑

什么是 UPS 拓扑? UPS 主要分为三种类型,也称为三种拓扑。面对各种不间断电源 (UPS) 拓扑选择,重要的考量是衡量您在环境方面的要求以及您希望支持的设备,同时还应考虑您的预算。详细了解不同的 UPS 类型以及如何选择合适的解决方案。

UPS 拓扑 101

在为特定应用场景选择最合适的 不间断电源时, 请记住,并没有通用的解决方案。某些 UPS 拓扑会更适合您的电力基础设施,而最合适的方案取决于多种因素。要确保您的关键设备和流程在发生电力扰动时得到恰当保护,识别不同的 UPS 设计类型是关键一步。UPS 的三种主要拓扑包括:后备式在线互动式在线式。这三种拓扑都能够满足接入 UPS 的设备的输入电压要求,但在实现此结果的方式上有所差异,需要用到电池的频率和时长也各有不同。 

选择在线互动式、后备式和在线式 UPS 时的考虑因素

UPS 拓扑的选择是否合适,重要的考量是衡量您在环境方面的要求以及您希望支持的设备,同时还应考虑您的预算。详细了解不同的 UPS 类型以及如何选择合适的解决方案。现代的 IT 电源在设计上都能承受各种供电质量问题,因此,针对电气系统中出现的断电和扰动情况,各类 UPS 拓扑都能提供一定程度的防护。 

后备式 UPS 拓扑

后备式 UPS 是最具成本效益的拓扑类型,在发生输入电压骤降或停电时,它可以提供电涌抑制和备用电池功能。这种类型的系统支持设备在公共电网之外独立运行, 同时还能提供持续的电涌防护,并在电压骤降或停电时切换到电池供电模式。后备式UPS 拓扑最适合小型/家庭办公室和销售点应用场景,可以为 LCD 显示器、坞站、调制解调器和路由器等设备提供可靠的保护。这种拓扑拥有众多优势,包括尺寸小巧、设计简单、成本低廉、使用方便、效率较高。

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在线互动式 UPS 拓扑

在线互动式 UPS 拓扑的设计非常可靠和高效,是支持 10 kVA 以下负载的最常用拓扑。此类 UPS 在必要时可以主动调节电压,通过升压或降压调节稳定电压后再输送给受保护的负载,特别适用于服务器、交换机和存储器等分布式 IT 设备。在线互动式 UPS 有多种形状和尺寸可选,具有高能效、可靠、小尺寸、成本适中等优点,还能纠正电压偏低或偏高的问题,对于许多应用场景而言都颇具吸引力。

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在线式 UPS 拓扑

哪怕是快速出现的供电质量扰动,在线式 UPS 拓扑也能轻松过滤,从而能为高敏感性负载提供最佳保护,因而特别适用于供电质量较差的环境。与其他拓扑不同,在线式UPS 实现了零延迟切换至电池。由于其设计更为复杂,因此在线式UPS 的价格通常高于后备式 UPS 或在线互动式UPS。 通过将原始电网电能从交流转换为直流,然后再转换为交流,在线式 UPS 可以“重造”公共电网的电压输出,因而特别适用于高敏感性 IT 设备、PLC 电源、控制继电器和其他敏感的电子设备。

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不同之处在于设计

每种 UPS 都包含一个逆变器,它负责将直流电转换为交流电,但每种拓扑的运行方式略有不同。 
根据设计,只有在因为电网断电或严重电压骤降而需要使用备用电池时,后备式 UPS 才会开启逆变器。发生此情况时,UPS 在切换到电池时会出现短暂延迟(通常不超过 10 毫秒),而这对显示器、坞站和调制解调器/路由器等设备几乎没有什么影响。但我们不建议将这种拓扑用于高端工作站、服务器、交换机和存储器负载,因为在电池模式下,后备式 UPS 中的逆变器会产生模拟正弦波电压输出(又称为方波)。
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在正常运行时,在线互动式 UPS 会将经过滤的电网电压传递到负荷,只有在输入频率异常或输入电压超出可纠正范围时,才会切换到电池模式。这种设计还提供了一定的线路滤波功能,在输入电压发生变化时,常常能通过调整变压器分接头来调节电压。有些在线互动式 UPS 可以在电池模式下提供纯正弦波输出,因而能更广泛兼容使用功率因数校正 (PFC) IT 电源的现代服务器、交换机和其他 IT 设备。

因此,该拓扑能为大多数分布式 IT 和商业负荷提供适当的保护,并且这些负荷可以承受 10 毫秒以内的 UPS 转换时间。但是,有些低成本的在线互动型号与备份式 UPS 一样,依赖于采用模拟正弦波输出的逆变器,因此更适用于敏感性较低的家庭办公室设备和外围设备。

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在以双转换模式运行的在线式 UPS 中,电能会流经一个整流器和一个逆变器,后者可为电池充电并将输入的电网电能从交流转换为直流。在大多数双转换 UPS <10 kVA 产品中,有一个单独的整流器可为电池充电。通过这种方式,UPS 将电能连续不断地供应到所连接的设备,同时过滤电能异常情况,并且可在电网电能与电池模式之间实现零延迟转换。由于逆变器一直在运行以向负载提供输出,因此这种拓扑对电网输入电压和频率变化具有广泛兼容性,并且可以保持良好的电能输出质量, 同时还能防止 UPS 过于频繁地进入电池模式。双转换 UPS 还可以过滤亚周期电压异常,而备份式 UPS 和在线互动式 UPS 的内置电涌防护功能是无法捕捉到此类异常的。
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对于哪种 UPS 拓扑适合您的电力基础设施仍有疑问?

UPS 拓扑对电池使用寿命的影响

在电池使用寿命方面,在线式、后备式和在线互动式这三种 UPS 拓扑之间也存在着明显差异。请务必注意,电池使用寿命会受到多种不同因素的影响,包括使用频率以及极冷或极热环境。尽管 UPS用铅酸 (VRLA) 电池的额定使用寿命通常可以达到三至五年,但频繁转换到电池模式和高温环境会造成电池使用寿命缩短,从而导致更换电池的频次增加。

如果将后备式 UPS 安装在电网电压不稳定的环境中,就会造成频繁切换到电池模式,因而相比使用在线互动 UPS,可能需要更频繁地更换电池。电压波动越大,后备式UPS 对电池的依赖性就越高。

在线互动式 UPS 中使用了自动电压调节 (AVR) 变压器,可以校正异常电压,从而防止由于电压不足或电压过高而过度使用电池。有些在线互动式 UPS 还采用了比后备式 UPS 更先进的电池充电和管理方案,例如伊顿的 ABM 技术,不但有助于延长电池使用寿命,还能针对电池故障提供预警。此外,某些在线互动式 UPS 还可以通过增加外部电池组来延长运行时间。

只有在电网电压极低、极高或完全停电的情况下,在线式 UPS 才会用电池供电,这样就能减少电池更换频次和高额的电池成本。大多数在线式 UPS 都采用了与高端在线互动式 UPS 相似的电池管理方案,可以进一步延长电池使用寿命。此外,与某些在线互动式 UPS 类似,在线式 UPS 还可以通过额外增加电池组来延长后备运行时间。