電能是現(xiàn)在社會(huì)中使用范圍最廣泛的能源，仔細(xì)觀察一下我們周圍，電燈，手機(jī)，電腦甚至電梯、地鐵等等都是用電力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，可以說電已經(jīng)深入我們的身邊的每一個(gè)角落，無論是生產(chǎn)還是生活都離不開電能。最近有個(gè)很極端的例子，委內(nèi)瑞拉全國大規(guī)模停電，導(dǎo)致全國上下生產(chǎn)生活陷入停滯，甚至在民眾中產(chǎn)生了大范圍的恐慌情緒?？梢钥闯?，電力是日常生活中最重要的能源，沒有了電力，人類生活水平可以說直接要倒退100年以上。

同樣的，在機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施中，電力作為唯一的直接能源，在機(jī)房運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用。在電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維工作中，所作的大部分工作都是圍繞著“不能斷電”的原則開展的?；谶@個(gè)原則，我們的生產(chǎn)機(jī)房采用了2N供電的冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)行了開關(guān)電纜的匹配選型，配置了各個(gè)層級的電力監(jiān)控，當(dāng)然還有大規(guī)模應(yīng)用的不間斷電源系統(tǒng)（UPS，uninterruptiblepowersupply）。

本文將主要介紹電力系統(tǒng)中三相電及UPS系統(tǒng)的運(yùn)行原理，希望大家閱讀本文之后能有所收獲。

三相交流電

交流電泛指一切電壓大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流。交流電因?yàn)榭梢酝ㄟ^變壓器進(jìn)行簡單的變壓操作，增加電壓，減少電流，進(jìn)而減小輸電線路的損耗，被廣泛用于電氣系統(tǒng)中。我國日常使用的交流電是電壓為220V，頻率為50Hz的正弦波電壓，具體波形見下圖。

其中Em是電壓最大值，ω指的是頻率角速度。換算到我們?nèi)粘５臄?shù)字，交流電的有效值

Ue=Em=220V,

頻率f=2π/ω=50Hz。

回顧了220V交流電，我們再來看看交流電是如何產(chǎn)生的。下圖簡易的說明了交流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。簡單來說就是電極導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)并切割磁場就可以產(chǎn)生電壓，由于旋轉(zhuǎn)過程中需要正向和反向各切割一次，因此產(chǎn)生的便是電壓變換正負(fù)極的交流電。

但是在工業(yè)生產(chǎn)中，這樣只有一組導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)顯然是不夠高效的，那么多空閑的空間沒有利用豈不是浪費(fèi)了。于是工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)在整個(gè)空間內(nèi)設(shè)置多組導(dǎo)體，便成為了多相電機(jī)。歷史上出現(xiàn)過很多種相數(shù)的電機(jī)，兩相，三相，四相等等，但綜合各種要素考量，最終由于三相電的各種優(yōu)勢，三相電機(jī)最終成為了應(yīng)用的主流，大部分6相、12相的電機(jī)也會(huì)通過一定的接線方式轉(zhuǎn)化為三相電進(jìn)行輸出。

具體說道三相電，我們可以拿一個(gè)三人自行車來舉例子：當(dāng)一個(gè)人騎車的時(shí)候，兩腳做圓周運(yùn)動(dòng)，腳離軸的高度便可以近似成一個(gè)正弦函數(shù)Y=Msint，三個(gè)人騎車，就是處于三個(gè)不同相位的三個(gè)正弦函數(shù)。

如果三個(gè)人腳踏的旋轉(zhuǎn)角度正好錯(cuò)開120度，設(shè)腳踏的高度為M，于是我從后面看他們?nèi)齻€(gè)人的腳踏位置為：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是說，此三個(gè)人的腳踏高度的總和為零。類似的，從三相電的曲線中也可以看出，線上三相電壓的代數(shù)和等于零！這就是三相電的特點(diǎn)。如果我們僅僅抽取其中的兩相電壓值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，電壓的代數(shù)和正好與第三相電壓大小相等方向相反。

可以看出，三相電便是由三個(gè)相同電壓不同相位組成的三組電源。經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)（電路計(jì)算中一般采用相量計(jì)算），當(dāng)電源處于星形接線形式時(shí)（也是我們一般機(jī)房及樓宇配電常用形式），每相（火線）對中性線（零線）電壓均為220V，而兩相之間的電壓即為，也就是我們常說的380V的電源。

總結(jié)一下我們上邊說的結(jié)論，機(jī)房供電中，單相電就是220V電源；三相電就是三個(gè)220V的不同相電源，但是每兩相之間的電壓380V。

說了這么多，那么三相電和我們今天的主題UPS之間到底有什么關(guān)系呢？在實(shí)際使用中，UPS的輸入和輸出都是三相電，然而在UPS的工作原理方面，二者并沒有什么關(guān)系。

UPS運(yùn)行原理

對于機(jī)房內(nèi)的負(fù)載，由于重要性高，負(fù)載大，我們所用的UPS都是在線式UPS。在線式UPS是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，逆變器一直處于工作狀態(tài)。所以當(dāng)停電時(shí)，UPS能馬上將其存儲(chǔ)的電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對負(fù)載進(jìn)行供電，從而達(dá)到了輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)。

在線式UPS的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。在線式UPS一般為雙變換結(jié)構(gòu)。所謂雙變換是指UPS正常工作時(shí)，電能經(jīng)過了濾波器后，再經(jīng)過交流/直流、直流/交流兩次變換后再供給負(fù)載。

最前端是輸入濾波器，一方面濾除、隔離市電對UPS系統(tǒng)的干擾，另一方面也避免UPS內(nèi)部的高頻開關(guān)信號“污染”市電。輸入濾波器的形式有很多種，通常采用電子類EMI，成本低，效率高。也可以采用帶隔離變壓器形式的濾波器，由隔離變壓器對市電和后續(xù)電源進(jìn)行電磁藕合，使得市電和UPS沒有直接電氣聯(lián)系，部分突變的干擾不會(huì)傳導(dǎo)至整流器中。目前我行上帝生產(chǎn)機(jī)房的UPS均采用了隔離變壓器的濾波形式。

在線式UPS不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出功率總是由逆變器提供。市電中斷或送電時(shí)，無任何轉(zhuǎn)換時(shí)間。平時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流，然后再由逆變器將直流轉(zhuǎn)換成純凈的正弦電壓供給負(fù)載。另一路，市電經(jīng)整流后對蓄電池進(jìn)行充電。下圖中實(shí)線部分就是正常工作情況下的電流走向。

如果靜態(tài)開關(guān)的轉(zhuǎn)換是由于逆變器故障引起，UPS會(huì)發(fā)出報(bào)警信號；如果是由于過載引起，當(dāng)過載消失后，靜態(tài)開關(guān)重新切換回到逆變器輸出端。

實(shí)現(xiàn)電壓變換的兩個(gè)主要部件分別是整流器和逆變器，分別起到交流-直流的變換和直流-交流的變換。一般UPS都采用了橋式整流的結(jié)構(gòu)對交流電進(jìn)行整流。下圖是簡單的橋式整流電路圖及工作原理，利用了二極管單相導(dǎo)通特性，在電壓處于不同方向時(shí)導(dǎo)通對角的二極管，配合一定的濾波穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)交流-直流的轉(zhuǎn)換。

相比之下，逆變器的原理相對復(fù)雜，筆者在此只進(jìn)行相對簡單的解釋。目前主流的逆變器都采用了脈寬調(diào)制(PWM)的方式對直流電進(jìn)行變換。正弦脈寬調(diào)制是根據(jù)能量等效原理發(fā)展起來的一種脈寬調(diào)制法。

為了得到接近正弦波的脈寬調(diào)制波形，我們將正弦波的一個(gè)周期在時(shí)間上劃分成N等份（N是偶數(shù)），每一等份的脈寬都是2π/N。在每個(gè)特定的時(shí)間間隔中，可以用一個(gè)脈沖幅度都等于UΔm、脈寬與其對應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例的矩形電壓脈沖來分別代替相應(yīng)的正弦波部分。這樣的N個(gè)寬度不等的脈沖就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。假設(shè)正弦波的幅值為Um，等效矩形波的幅值為UΔm，則各等效矩形脈沖波的寬度為。

式中βi是各時(shí)間間隔分段的中心角，也就是各等效脈沖的位置中心角。

下圖表示了當(dāng)N為12時(shí)，正弦波與脈沖寬度的關(guān)系。而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般采用高頻率開關(guān)模塊產(chǎn)生脈沖，一般頻率在10kHZ左右。

在實(shí)際的小型UPS中，常用下圖所示的用比較器組成的正弦脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)上述脈寬調(diào)制的目的。若將三角波脈沖送到比較器的反相端（-），將正弦波送到比較器的同相端（+），則在正弦波電壓幅值大于三角波電壓時(shí)，比較器的輸出端將產(chǎn)生一個(gè)脈寬等于正弦波大于三角波部分所對應(yīng)的時(shí)間間隔的正脈沖。于是在電壓比較器的輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。

經(jīng)過脈寬調(diào)制的一系列脈沖，在經(jīng)過進(jìn)一步的濾波之后，便成為了各主機(jī)服務(wù)器使用的交流電源。

除了上邊提到的兩個(gè)電壓變換模塊外，給蓄電池進(jìn)行充電的充電模塊也是UPS的重要組成部分。一般手機(jī)充電器采用的恒壓充電電路具有電路簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但這種充電電路使蓄電池組初期充電電流較大，影響蓄電池的壽命。所以在在線式UPS中一般采用分級充電電路，即在充電初期采用恒流充電，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到其浮充電壓后，再采用恒壓充電。只要將額定電壓、浮充電壓、恒流充電電流設(shè)置恰當(dāng)，就能使蓄電池的充電過程基本上沿著理想的充電曲線進(jìn)行，從而延長蓄電池的使用壽命。在線式UPS蓄電池的典型充電特性如下圖。

通常，電池的容量都是有限的，在市電失去的情況下，一般電池能夠持續(xù)供電15分鐘~1小時(shí)，如果市電故障時(shí)間過長，就需要接入應(yīng)急電源。常用的應(yīng)急電源是柴油發(fā)電機(jī)，如果條件許可，也可以接入第三路市電作為應(yīng)急電源。