不间断电源UPS对设备的保护

文/[美]理查德·卡德纳 编译/施 端

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

怎样才称得上是完美的控制室？它要有很大的面积，能放得下星巴克咖啡、笔记本电脑、4台大尺寸监视器、控制台和1把美观舒适的座椅，还有头戴式耳机。此外，所有控制室都应该配备不间断电源（Uninterruptible Power Supply，简称UPS）。它相对廉价，易于操作、安装，可以保护设备免受损坏，确保演出顺利进行。

也许有人认为它只能算作额外的设备，还要浪费更多的钱。专业人士则认为并非如此，UPS是必不可少的。

电气设备的隐患

人们每天使用的电网似乎是“一处风平浪静的地方”，而其实它好比“一片遭遇狂风暴雨袭击的海洋”。当测量电压时，读数好像是恒定的，它可能看上去很稳定，但事实上却始终处于波动状态。很多情况都会引发浪涌、尖脉冲和其他波动，其中任何一种情况都会损坏或彻底摧毁价值达25万美元的音响系统或10万美元的控制台，而笔记本电脑也正受其支持。

电网干扰随时都在发生，存在安全隐患，比如：两根火线不慎碰到一起，或者火线不慎与大地相碰，又或传输线突然跳闸（这是十分常见的情况），又或雷电直接击中电网或其附近。有时，干扰并非来自浪涌电压，而是具有破坏性的电压突降。例如很多人同时打开空调，或雷电会经传输线进入设备，任何一种情况都会引发欠压或停电事故。

对于所有的现场专业音响设备而言这都是一场突如其来的考验。如果电网欠压，且处理器自行关闭，而功放依然处于运行状态，这会导致怎样的后果？扬声器会啪啪作响。当失电时，尚未备份的数据将何去何从？噗的一声，它们会消失得无影无踪。

为了避免电气干扰问题，最佳方法之一就是确保所有对电气干扰敏感的电气设备都由具有浪涌保护功能的UPS来为其供电。UPS可按功能分为后备式、在线互动式和在线式，也就是根据其由电池提供的直流电转换为常用交流电的方式不同来分类。选用哪种类型应取决于被保护对象及其使用方式。家里或办公室最常用的是后备式UPS。

解析UPS

为了一探究竟，笔者亲自拆解了1台UPS——CyberPower公司的CPS325SL，输入：120 V（美国、日本供电标准电压的上限）、10 A、60 Hz。它有4个输出端，其中2个输出端带有备份电池，而另2个输出端具有过载保护功能，但不带有备份电池。该设备输出：120 V、约0.325 VA、2.7 A、60 Hz、185 W。以下内容是这台适用于灯光控制台或调音台的桌面式UPS的构造及其工作原理，这一切都基于笔者对这台CyberPower CPS325SL的拆解。

额定电压很容易理解，笔者或许要对VA（伏安）做一些解释。VA是“视在功率”的单位。只需把电压乘以输出电流就能得到它。使用视在功率而不是功率的原因在于有些负载的功率因素不高，其电流数值比使用交流电的功率计算公式得到的电流数值要大。

例如：有一台LED灯具，它的功率为185 W，但其功率因数约为0.5。如果不考虑功率因数，那么，使用交流电的功率计算公式可得到：

P = UI×PF（PF——power factor，即为功率因数）

（如不考虑功率因数）：185 W=120 V×I

I=1.54 A

而实际情况是，该设备的工作电流约为3 A，因为事实上其功率因数为0.5。

185 W=120 V×I×0.5

该电气参数并没有对电源的额定功率提出更高要求，而是对它允许通过的最大电流提出了要求，考虑到一定数值的电流流过内部的电阻时会产生足够的热量，会导致绝缘层损坏，比如绝缘层立刻融化，或者绝缘层会变得很脆弱，迟早要开裂。因此，如果被给出的是功率而不是视在功率，则必须假定一个功率因数；否则，可能会连接一台功率因数不高的用电设备，虽然其额定功率与电源的额定功率一样，但却会使电源处于过载工作状态。

此外，从严格意义上说，该设备参数的标示不够规范。它这样标示为：120 V、0.325 VA、2.7 A，其实应该这样标示：0.324 kVA或324 VA (120 V×2.7 A = 324 VA)。犯了一个小错误就差了三个数量级。

暂且不谈这些额定量，后备式UPS用于抑制浪涌电压和降低电气噪声，并经常使用密封式铅酸电池作备份电源。噪声滤除和共膜干扰是后备式UPS的首要作用。

噪声滤除由电容器来实现。沿着电源线看过去，在手动复位的10 A电路断路器之后，第一个元件就是1个并联在压敏变阻器两端的电容器。电容器的作用是滤除线路上的高频噪声。电气噪声是由电源电路附近的电气设备或高频开关的感应而产生的（开关产生电流突变，电路中的分布电感阻止其突变，产生突变电压，即为噪声电压）。例如：如果某人把一台真空吸尘器接到这台UPS附近的电路上，它就会产生高频电磁干扰，干扰信号会被电路所吸收，不会进入所有接到这台UPS上的设备中。

电容器用于滤除高频噪声，其容抗（电抗的一种）与频率成反比，即：频率越高，阻抗越小。它的计算公式为：

上式中的X表示电抗，单位是Ω（欧姆）（可以把电抗看成电阻，这里只是把电阻换成了电容，它与电阻一样，同样对电流具有阻碍作用），π为3.14，f表示电网频率（60 Hz，比如北美；或者50 Hz，如欧洲国家和澳大利亚），C表示电容量，单位是F（法拉）或μF（微法拉）。

该图中的电容型号为JNC JY472M，电容值为0.004 7 μF（0.000 000 004 7 F）。如果代入正确的数值，就会得到在60 Hz频率的电网中它的电抗约为564 665 Ω。它的阻抗很大。由于该元件连接于线路与大地之间，当工作于120 V、60 Hz的电网上时，会有0.21 mA电流流向大地。但是，如果电网频率更高的话，比如100 kHz，那么阻抗会降到339 Ω，且漏电流为354 mA，应该足以滤除掉噪声了。

压敏变阻器可有效吸收浪涌电压并把电压限定在某数值以下，以保护所有接到UPS上的用电设备免受损坏。它连接于线路与大地之间，当浪涌电压出现时，它会抑制对地电压。这个过程中压敏变阻器可能要“牺牲”自身：当线路上的浪涌电压高到一定程度时，压敏变阻器会像鞭炮一样发生爆裂。

图1 蓝色的电容器用于滤除高频噪声，琥珀色的压敏变阻器用于吸收浪涌电压所产生的能量。

图2 （左图）在交流电正半周，电流沿红色路径流动；（右图）在交流电负半周，电流沿绿色路径流动。

图3 桥式整流器输出的是脉动直流电流。

图4 电池电源上的电压波形和电流波形。负载为500 W的白炽灯。

其后有一个由线电压供电的充电装置，作用是将交流电转换成直流电，来为机内电池充电；还有一个逆变器，当失电时，它会将电池提供的直流电转换回交流电。

交流电转换成直流电相对而言比较简单。首先，由变压器把120 V电压降到约12 VA交流电压。变压器的输出端与4个二极管接成的全波桥式整流器相连。它把交流波形转换成单向全波整流波形。在交流电正半周，电流沿一条路径流动，经桥式整流器和负载回到电源。在交流电负半周，电流沿另一条路径流动，经桥式整流器和负载回到电源。但是，在两个半周，通过负载的电流方向是相同的，因此，从本质上说，桥式整流器把负半周的电流反了个向，使其为正，这样就把交流电转换成了脉动直流电。

把电流转换成脉动直流电后，再用电容器来减少其脉动程度，当外加电压升高时，电容器处于充电状态，而当电压下降时，电容器维持其充电电压。这样就把脉动直流电转换成了略有起伏的直流电，其波动程度微乎其微。最后再用LM317T稳压管来把电压维持在恒定状态。

直流电直接为电池供电，使其保持在充电状态，以便在失电时，逆变器可以把由电池提供的直流电转换成某种形式的交流电。在这里术语“逆变器”源自：处于反向工作状态的交流—直流变换器。从“顺变”到“逆变”的关键所在是这对呈微型方糖状的单刀双掷（SPDT）继电器。它们属于干触点式继电器，当探测到失电时，它能在电网电源和电池电源之间做切换。

在电池供电模式下，逆变器电路开始工作，向所接负载提供交流电。但是，与把交流电转化成直流电相比，把直流电转换成交流电就要复杂得多。实现方法有很多，有些方法十分简单，但不会产生正弦波，而有些方法的确产生正弦波，但要复杂得多，而且需要付出更多成本。

事实证明，笔者正在拆解的这台UPS属于第一类。其实，它产生的是方波，UPS制造商喜欢把它称为“修正正弦波”，但其实它根本就不是正弦波。电压从0 V变到约+175 V，接着回到0 V，然后再变到-175 V，频率为60 Hz。说它是一个修正正弦波，如同方盒子是修正球体那样。笔者认为把它称为“修正方波”要更为准确一些，但是作为一个营销术语，则显得略逊一筹。

然而，只有当接上某些负载时，该波形的工作状态才保持良好；如接上其他一些负载（尤其是感性负载，这类负载会因修正波供电而发出巨大热量，从而降低了寿命），其工作状态欠佳。还有其他一些UPS，它们可产生失真度极小的正弦波。通常，这些设备中有集成电路、产生波形的计时芯片和MOSFET管（金属氧化物半导体场效应晶体管），该晶体管可以控制大电流并在带负载情况下切断电路，该电路可以在高频状态下开关。正弦波逆变器类似于带有一些辅助线路的开关电源。

市场上有许多UPS正弦波逆变器，其中有些产品的质保范围涵盖所接设备。例如：Tripp Lite公司的HTR10-2U质保范围涵盖价值达25万美元的所接设备，CyberPower公司的CP1000PFCLCD质保范围涵盖价值达35万美元的所接设备，Juice Goose公司的NXRT-Pro系列产品提供5万美元，用于所接负载的有限责任。

MA Lighting公司的grandMA等灯光控制台带有内置的备份电池。当失电时，备份电池开始工作，使控制台保持运行状态，利用这段时间进行保存现场工作、备份数据到外存和关机等操作可谓绰绰有余。当一台grandMA控制台的UPS电池充满电，一代控制台可以用10分钟，二代控制台可以用7分钟左右。不过由于它不具备电源调节功能，因此，依然应该为其配置浪涌保护装置。

应该根据所需连接的负载大小、电池电源续航时间以及所需输出端数量、是否需要在线监测等功能来选择相应容量的UPS。UPS中电池的容量用AH（安培小时）来衡量。只需把电流（单位：安培）乘以时间（单位：小时）就可算出所需容量。例如：如果控制室总共需要3A电流，并且想让它运行30分钟，那么需要1台容量1.5 AH（3 A×0.5 H = 1.5 AH）的UPS。

选择UPS方波逆变器还是UPS正弦波逆变器应视被保护设备而定。如果所接的是感性负载，也就是说如果它带有变压器、镇流器、扼流圈或线圈（比如电机），那么应该考虑花费更多的钱来购买UPS正弦波逆变器。如果使用的是1台UPS非正弦波逆变器，那么，只能确保所接设备不会处于过热运行状态，这表示它们并非处于最佳运行状态，有可能会过早损坏。