不間斷電源（Uninterruptible 功率 Supply，UPS）是一種能夠在主電源發生故障或者斷電時，還能繼續向負載供電并保證供電質量，使負載運行不受影響的應急電源裝置，其具備的主要功能為雙電源之間的無間斷切換、頻率變換、電壓變換、隔離干擾和后備等，廣泛應用于大數據信息設備、工業備用電源、商場、銀行系統、鐵路系統和醫療設備等領域。
UPS經歷了從動態UPS到靜態UPS的發展歷程，最初其采用飛輪儲能，利用機械能和發動機實現能量轉換，20世紀60年代開始，隨著電力電子和半導體材料技術的發展，以可控硅為核心的靜態UPS逐漸取代動態UPS。20世紀60年代到70年代，可控硅UPS裝置仍得到廣泛應用，但其仍然存在一定的缺陷，為此，20世紀80年代開始研發利用自關斷的巨型功率晶體管作為開關器件的靜態UPS裝置。隨后，又發展出能夠自關斷的功率場效應晶體管（MosFET），成為新一代UPS裝置的開關器件。從20世紀90年代至2020年左右，利用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為開關器件的UPS裝置也得到了快速的發展，UPS在電源領域得到了更大的發展和應用。
UPS主要由整流器、組、逆變器和靜態轉換開關等部分組成，其種類多種多樣，根據不同的標準和特點，可以按照輸出、功率容量、輸入輸出方式、工作原理、結構和應用場景等方式進行分類。市電正常時，UPS將市電進行穩壓處理并供應給負載，同時對內部蓄電池組進行充電；市電中斷時，UPS通過逆變器將蓄電池組的電能轉化為交流電，繼續向負載供電，以此實現電源不間斷的作用。
發展歷程
早期研究
UPS經歷了從動態UPS（旋轉型）到靜態UPS（靜止型）的發展歷程。研發初期，動態UPS系統采用最原始的儲能方式，即飛輪儲能，它采用柴油發電機（油機）－電動機－發電機組來實現電能的變換。在發電機上安裝一個幾噸重的飛輪，通過將電能轉換成飛輪的旋轉能量，當停電時，雖然電動機線圈失電停止運行，但飛輪的慣性仍可以繼續驅動發電機供電幾秒鐘，從而保證供電的穩定性，使用戶有時間保存重要數據。同時，系統會立即啟動柴油發電機為負載提供電源。動態UPS的優點是可靠性較高、維護簡單方便，缺點則是切換時間較長、噪音大、體積較大、效率相對較低。
迭代創新
20世紀60年代開始，隨著電力電子和半導體材料技術的發展，可控硅（SCR）性能得到大幅提高，制造工藝取得重大突破，這推動了靜止型UPS技術的研究，它以可控硅為核心器件（電能變換電路），采用蓄電池組儲存能量，當市電發生斷電時，由蓄電池代替整流器向逆變器供電，實現市電斷電時的供電。相比旋轉型UPS，其重量輕、體積小，噪聲低，操作靈活，效率高，但電路結構復雜，過載能力差，維護要求高，這個時期，主要研究電路的換流方式，力圖提高晶閘管（可控硅）的工作頻率，并采用了逆導晶體管、UPS冗余并聯化技術和波形疊加技術等方式來增大晶體管逆變器的功率。
可控硅UPS裝置在20世紀60年代到70年代仍得到廣泛應用，但由于頻繁開關工作增加了電網諧波，降低了電網品質，并干擾其他用電負載，同時，電源裝置的重量和體積增加，動態性能變差。為此，20世紀80年代開始研發利用自關斷的巨型功率晶體管（UR）作為開關器件的靜止型UPS裝置。
相比可控硅UPS裝置，這種靜止型裝置不需要換向電路，減少了電感和電容，提高了可靠性和輸出的動態性能。但是，由于巨型功率晶體管是少數載流子進行工作的半導體器件，控制開通需要較大的驅動電流，需要特殊設計的驅動電路，并對器件參數的選擇有嚴格要求，成本較高。這期間，在利用波形疊加技術的同時，還利用了PWM脈沖寬度調制技術，提出了采用循環換流器和采用諧振變換器等各種新的電路方案。
在其之后，隨著半導體器件技術的進步，又發展出能夠自關斷的功率場效應晶體管（MosFET），成為新一代UPS裝置的開關器件。功率場效應晶體管采用電壓驅動，驅動電路簡單、功率低、成本較低，并具有更快的開關速度，因此，功率晶體管和功率場效應晶體管制作成的靜止型UPS裝置得到了廣泛應用。
發展現狀
從20世紀90年代到2020年左右，利用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）作為開關器件的UPS裝置也得到了快速的發展。絕緣柵雙極晶體管集成了功率場效應晶體管和雙極晶體管的優點，具有大電流處理能力、低飽和壓降和快速開關等特點，展現出廣闊的發展前景。隨著半導體材料性能的提升，UPS的開關器件逐步更新換代，電子技術和數字控制的發展推動了UPS控制電路從模擬電路到數字電路的轉變，帶來了其性能的大幅提升。傳統的模擬控制技術雖然成本低但系統復雜、體積大且可靠性不高，而數字控制技術則通過更高級的控制方法實現了UPS的智能化、小型化，提高了其控制精度，實現了用戶遠程控制，同時也加強了各種保護措施，使得UPS在電源領域得到了更大的發展和應用。
常用分類方式
UPS的種類多種多樣，根據不同的標準和特點，可以按照輸出波形、功率容量、輸入輸出方式、工作原理（運行方式）、結構和應用場景等方式進行分類，其中，應用最廣泛的是根據工作原理和輸入輸出方式分類。
UPS按照其工作原理可以分為動態UPS和靜態UPS兩大類，動態式UPS因應用較少，所以通常所說的UPS大都指靜態式。靜態UPS又可分為后備式UPS、在線式UPS，而在線式UPS又有多種，包括在線互動式UPS、雙變換在線式和雙變換電壓補償在線式（Delta變換型UPS）等幾種類型；按照其輸入輸出方式又可分為單進單出式、三進單出式和三進三出式。
按工作原理分
后備式UPS：后備式UPS也叫離線式UPS，在市電供電正常時，負載直接由市電供電，而逆變模塊處于后備狀態（不工作），同時，蓄電池組完成電量的儲存。當市電電壓降到規定值以下，即發生故障或斷電時，轉換開頭才在檢測（控制）電路的控制之下切換到蓄電池供電，并通過逆變器將電能轉換為負載所需的電能。后備式UPS具有結構簡單、體積小、成本低的特點，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩定精度較差，切換時間較長，無法實現真正的不間斷電源。它主要應用于對供電連續性要求不高的場合，例如家庭使用或非關鍵設備。
雙變換在線式UPS：雙變換在線式UPS主要由整流模塊和逆變模塊組成。當市電正常時，整流模塊將市電轉換為直流電，并通過逆變模塊將直流電轉換為負載所需的交流電，稱為正常運行方式。如果遇到電網故障或市電中斷，蓄電池組將為逆變器提供DC電源，以繼續向負載供應交流電，稱為儲能供電運行方式。
如果UPS系統本身出現故障，它會自動切換到旁路工作模式，直接將市電供應給負載，以確保持續供電。這樣，UPS系統可以實現對負載的不間斷供電。雙變換UPS之所以被稱為雙變換，在于其工作過程中電能經過了AC/DC和DC/AC兩次變換，確保輸出電壓的連續性，避免中斷，適用于大功率用電設備。
在線互動式UPS：在線互動式UPS，又稱并聯補償式UPS，是一種介于雙變換在線式UPS與后備式UPS之間的整機方案。當市電正常供電時，負載直接由市電供電，逆變器則充當充電器為蓄電池組充電，處于熱備份狀態。在線互動式UPS通過檢測市電供電情況來確定是否需要啟動逆變器工作，只有在市電故障時，逆變器才會開始工作，將蓄電池的直流電轉換為交流電供給負載，鑒于逆變模塊的可逆工作模式，將其稱為在線互動式UPS。
在線互動式UPS可以根據市電輸入電壓的變化自動進行電壓調節，當市電電壓低于或高于設定范圍時，控制系統會啟動逆變器來保證負載的穩定供電，廣泛應用于家庭和關鍵設備的供電保護中，它相對于傳統的雙變換在線式UPS和后備式UPS而言，具有結構簡單、維護方便等優點，但其抗干擾能力較差，穩壓效果也不明顯。
Delta變換式UPS：Delta變換式UPS（雙變換電壓補償在線式）是一種相對較新的UPS電路結構模式，將交流穩壓技術中的電壓補償原理應用到UPS主電路中，是一種基于脈寬調制技術基礎上又增加了串聯交流穩壓技術，屬于串、并聯功率傳輸方式，能夠實現較高的電能轉換效率和輸出電壓穩定性。
Delta變換式UPS在市電不穩定時能夠通過主供電路通道上的補償變壓器對市電提供補償，其補償范圍在15%左右，但并不能很好地應對市電電網的頻率波動、電壓諧波失真和傳導干擾等問題。其工作特點是由市電分擔大部分的輸出功率，而逆變器只需分擔余下部分功率，適合中小型機房等場合。
按輸入輸出方式分
單進單出式UPS：單進單出式UPS的輸入輸出方式為單相輸入、單相輸出，不用過多考慮用電設備負載均衡問題，但是要考慮電網配電的三相均載方面的問題，適用于小功率UPS。
三進單出式UPS：三進單出式UPS的輸入輸出方式為三相輸入、單相輸出，其需要計算單相一路UPS輸出導線橫截面積的額定輸出電流，這是為了防止三相在運行時出現電流不對稱，單相電流過大會導致設備電路過熱出現燒焦的情況，適用于中大功率UPS。
三進三出式UPS：三進三出式UPS的輸入輸出方式為三相輸入、三相輸出，其輸入要求與三進單出的機型一樣，要在UPS的輸出端盡量控制負載均衡度，使其輸出在技術要求的范圍內，適用于中大功率UPS。
其他分類
除此之外，市面上的UPS還有一些其他分類方式，如按輸出波形可分為方波輸出、梯形波輸出及正弦波輸出三類；按輸出容量可分為小型UPS（5KVA以下）、中型UPS（5KVA~100KVA）及大型UPS（100KVA以上）；按結構形式可分為基本UPS、具有自動（或手動）轉換開關的UPS和具有并機式切換開關的UPS；按使用特性可分為不同類別場合專用UPS等等。
常見應用領域
大數據信息設備
信息設備對電能的穩定性和質量有很高的要求，由于普通市電存在斷電或電能質量差的可能，加入不間斷電源可以確保設備穩定運行，不受外界因素的影響。隨著計算機領域快速發展，大數據中心、中央機房、通信系統、軌道交通信號系統等重要設備廣泛使用不間斷電源，以保證其正常運行。
工業備用電源
在工業領域，不間斷電源主要應用于電力系統、鋼鐵冶煉、石油化工、建筑施工、軍事等領域。它能為生產過程中不能中斷的重要設備提供可靠的電源，確保工業生產的安全性。工業領域的不間斷電源主要以中、大型功率的UPS為主，市場占比較大的UPS產品也主要集中在這個領域。
商場
在商場突然出現停電的情況下，其實會帶來很多負面影響的，在這個時候若是能夠搭配使用UPS電源，通過這種電源的儲電能量能夠持續保持通電狀態，這樣可以給消費者或者工作人員離開商場提供一定的時間。雖然有時候這樣的時間比較短，但是只要UPS不間斷電源里的電能充足的話，就可以保證人們在突然斷電的情況下安全離開商場。除了在商場應用之外，這種UPS電源還經常會用一些比較常見的場合，為人們安全使用一些電子產品提供保障。
銀行系統
隨著金融業的發展，提出了UPS電源整理解決方案，并成功應用于某外資銀行。機架式UPS電源作為數據中心中最常用的供電保障設施、供配電系統中損耗最大的環節，對于金融行業有重要作用。銀行與金融企業必須維護許多需要個別電源防護的小型系統。自動柜員機（ATM）就是需要在線機架式UPS保護，以避免可能的供電異常。
鐵路系統
在鐵路通信系統中，UPS不間斷電源是系統的能源供給單元，對整個系統的運作穩定性起著決定性的作用，在使用中， 具有功能齊全、可靠穩定等多方面的優勢。在鐵路通信系統中， UPS不間斷電源主要由主機和電池兩大部分構成， 其中整個UPS主電源裝置由功率因數調整電路、整流電電路、逆變器、輔助電路和驅動電路等部分組成，各部分的作用分別為：功率因數調整電路消除整流產生的脈沖電路， 提高供電質量；整流充電電路提供在線工作的能量輸入電源；逆變器交流輸出在線工作的高質量穩定的頻率起伏。
醫療設備
醫院作為特殊用電單位，對供電的可靠性和穩定性有嚴格的要求，常采用雙電源和柴油發電機作備用電源，并安裝大型UPS系統。UPS系統不僅給信息存儲中心和電腦室等重要信息傳輸設備提供電源，還保證重病區域如血液透析室、手術室、急診室等區域的監護儀、呼吸機、血液透析設備正常運行。針對特殊需求，還可建立中大型UPS系統，通過合理配置和使用UPS系統，確保醫院供電穩定。
結構及原理
基本原理
不間斷電源（UPS）是一種配備儲能裝置的電源設備，能夠提供穩定的電壓和頻率輸出。當交流輸入電源（通常稱為“市電”）輸入正常時，UPS會對市電進行穩壓處理，然后將其供應給負載使用，因此在這種情況下，UPS就相當于一臺交流穩壓器，同時，UPS還會對內部蓄電池組進行充電。當市電發生中斷等情況時，UPS會立即通過逆變器將內部蓄電池組的電能轉化為交流電，并繼續向負載供應電力，以確保負載可以正常工作，防止軟件和硬件受到損壞。從基本原理講，UPS的基本結構主要由整流器、蓄電池組、逆變器和靜態轉換開關等部分組成。
主要結構組成
整流器
整流器是將交流電轉換為直流電的裝置，主要用于給逆變器供電并對電池進行充電，具有一定的調壓能力和短路回縮保護功能，在異常情況下可以將輸出電流限制在正常范圍內。最基本的結構采用全橋整流方式，包括單相和三相整流，通過可控硅（或二極管）整流后，經過濾波電路進行濾波以獲得平滑的DC電源，同時也濾除電網上的噪聲和干擾。全橋式整流方式的優點是電路簡單、可靠性高；缺點是輸入電流諧波失真大、輸入功率因數低，對電網污染較嚴重，體積大、生產運行成本高。為克服這些缺點，已逐漸采用功率因數補償技術（PFC）使整流器的輸入特性接近線性。而最新的整流方式采用脈寬調制（PWM）實現整流功能，能完全克服傳統整流方式的缺點，輸入功率因數幾乎接近1，即相當于線性負載，對電網污染較小。
蓄電池組
蓄電池組是用來儲存電能的裝置，在UPS中用于在市電故障時為負載供電。它由若干個電池串聯而成，其容量大小決定了其維持放電（供電）的時間。當市電正常時，將電能轉換成化學能儲存在電池內部；當市電故障時，將化學能轉換成電能經逆變器轉換為交流電并供給負載。對于大、中功率UPS，蓄電池組直接接至整流器的輸出端進行充電；而小型 UPS 則通常有獨立的充電器將整流后的直流進行變換，以恒壓限流的方式對蓄電池組充電。
逆變器
逆變器是用于將整流后的直流電轉換成穩壓、穩頻、純凈的正弦波交流電的裝置，其主要作用是隔離和電壓變換，還能夠實現頻率的調節，但逆變器并沒有調壓能力，即不能實現對輸入電壓的調節。絕大部分UPS的逆變器，特別是大中功率UPS，基本上采用脈寬調制（PWM）技術。在控制電路中，利用高頻三角波作為載波，對標準正弦波進行脈寬調制，產生脈寬隨正弦波度作相應變化的高脈沖序列，通過開關器件變換，在次級一側獲得放大后的脈寬調制脈沖序列；然后通過變壓器和濾波電路濾除高頻載波，還原成正弦波，完成了直流至交流的逆變過程。
靜態轉換開關
靜態轉換開關又稱靜止開關，它是一種無觸點開關，主要作用是在主電源和旁路電源之間實現不間斷地自動切換，分為轉換型和并機型兩種。每一路由兩個晶閘管反向并聯組成的一種交流開關，其閉合和斷開由邏輯控制器控制。逆變器輸出和旁路電源之間可控硅的驅動信號始終保持只有一路電源導通。轉換過程的斷電時間屬于微秒或納秒級，對負載設備影響較小，因此靜態開關的轉換是不間斷的。
主要功能
不間斷電源裝置（UPS）的應用需要實現的主要功能可以歸納為以下五個方面：
（1）雙電源之間的無間斷切換功能：市電與逆變器供電之間切換零時間，保證在市電中斷后，能夠第一時間輸出供電保證負載電氣設備的不間斷運行。
（2）頻率變換功能：可以將輸入電壓的頻率變成需要的頻率，并且起到穩頻的作用。
（3）電壓變換功能：可以將輸入電壓變換成需要的電壓，并且起到穩壓的作用。
（4）隔離功能：將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網干擾阻擋在負載之前，既可使負載對電網不產生干擾，又可使電網中的干擾不影響負載，起到電力凈化的作用。
（5）后備功能：UPS里配備有蓄電池來當做儲備能源，一方面在電網停電或發生故障時可繼續供電一段時間來保護負載；另一方面在 UPS的整流器發生故障時可使用戶有時間來保護負載，后備時間可以是 5分鐘、10分鐘、30分鐘，甚至更長。
技術指標
UPS的主要技術指標包括UPS的容量，電壓（輸入電壓、輸出電壓），頻率（輸入頻率、輸出頻率）和功率因數（輸入功率因數、輸出功率因數）等。其中，容量是UPS的首要指標，通常是指其輸出容量，以輸出額定電壓和額定電流的乘積來表示，單位為伏安（V·A）。輸入電壓及范圍即保證UPS不轉入電池逆變供電的市電電壓范圍，輸出電壓即UPS的額定輸出電壓。輸入頻率及范圍即UPS能自動跟蹤市電、保持同步的頻率范圍，而輸出頻率是指UPS輸出交流電的頻率，一般為50Hz或60Hz。UPS的功率因數分為輸入功率因數和額定負荷功率因數（輸出功率因數）。輸入功率因數指UPS輸入端的功率因數，輸入功率因數越高，UPS所吸收的無功功率越小，輸出功率因數指UPS輸出端的功率因數。
參考資料 >
不間斷電源UPS系統主要在哪些領域應用.鉅大鋰電.2023-11-24