不間斷電源UPS對設(shè)備的保護

文/[美]理查德·卡德納 編譯/施 端

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

怎樣才稱得上是完美的控制室？它要有很大的面積，能放得下星巴克咖啡、筆記本電腦、4臺大尺寸監(jiān)視器、控制臺和1把美觀舒適的座椅，還有頭戴式耳機。此外，所有控制室都應(yīng)該配備不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，簡稱UPS）。它相對廉價，易于操作、安裝，可以保護設(shè)備免受損壞，確保演出順利進行。

也許有人認(rèn)為它只能算作額外的設(shè)備，還要浪費更多的錢。專業(yè)人士則認(rèn)為并非如此，UPS是必不可少的。

電氣設(shè)備的隱患

人們每天使用的電網(wǎng)似乎是“一處風(fēng)平浪靜的地方”，而其實它好比“一片遭遇狂風(fēng)暴雨襲擊的海洋”。當(dāng)測量電壓時，讀數(shù)好像是恒定的，它可能看上去很穩(wěn)定，但事實上卻始終處于波動狀態(tài)。很多情況都會引發(fā)浪涌、尖脈沖和其他波動，其中任何一種情況都會損壞或徹底摧毀價值達25萬美元的音響系統(tǒng)或10萬美元的控制臺，而筆記本電腦也正受其支持。

電網(wǎng)干擾隨時都在發(fā)生，存在安全隱患，比如：兩根火線不慎碰到一起，或者火線不慎與大地相碰，又或傳輸線突然跳閘（這是十分常見的情況），又或雷電直接擊中電網(wǎng)或其附近。有時，干擾并非來自浪涌電壓，而是具有破壞性的電壓突降。例如很多人同時打開空調(diào)，或雷電會經(jīng)傳輸線進入設(shè)備，任何一種情況都會引發(fā)欠壓或停電事故。

對于所有的現(xiàn)場專業(yè)音響設(shè)備而言這都是一場突如其來的考驗。如果電網(wǎng)欠壓，且處理器自行關(guān)閉，而功放依然處于運行狀態(tài)，這會導(dǎo)致怎樣的后果？揚聲器會啪啪作響。當(dāng)失電時，尚未備份的數(shù)據(jù)將何去何從？噗的一聲，它們會消失得無影無蹤。

為了避免電氣干擾問題，最佳方法之一就是確保所有對電氣干擾敏感的電氣設(shè)備都由具有浪涌保護功能的UPS來為其供電。UPS可按功能分為后備式、在線互動式和在線式，也就是根據(jù)其由電池提供的直流電轉(zhuǎn)換為常用交流電的方式不同來分類。選用哪種類型應(yīng)取決于被保護對象及其使用方式。家里或辦公室最常用的是后備式UPS。

解析UPS

為了一探究竟，筆者親自拆解了1臺UPS——CyberPower公司的CPS325SL，輸入：120 V（美國、日本供電標(biāo)準(zhǔn)電壓的上限）、10 A、60 Hz。它有4個輸出端，其中2個輸出端帶有備份電池，而另2個輸出端具有過載保護功能，但不帶有備份電池。該設(shè)備輸出：120 V、約0.325 VA、2.7 A、60 Hz、185 W。以下內(nèi)容是這臺適用于燈光控制臺或調(diào)音臺的桌面式UPS的構(gòu)造及其工作原理，這一切都基于筆者對這臺CyberPower CPS325SL的拆解。

額定電壓很容易理解，筆者或許要對VA（伏安）做一些解釋。VA是“視在功率”的單位。只需把電壓乘以輸出電流就能得到它。使用視在功率而不是功率的原因在于有些負(fù)載的功率因素不高，其電流數(shù)值比使用交流電的功率計算公式得到的電流數(shù)值要大。

例如：有一臺LED燈具，它的功率為185 W，但其功率因數(shù)約為0.5。如果不考慮功率因數(shù)，那么，使用交流電的功率計算公式可得到：

P = UI×PF（PF——power factor，即為功率因數(shù)）

（如不考慮功率因數(shù)）：185 W=120 V×I

I=1.54 A

而實際情況是，該設(shè)備的工作電流約為3 A，因為事實上其功率因數(shù)為0.5。

185 W=120 V×I×0.5

該電氣參數(shù)并沒有對電源的額定功率提出更高要求，而是對它允許通過的最大電流提出了要求，考慮到一定數(shù)值的電流流過內(nèi)部的電阻時會產(chǎn)生足夠的熱量，會導(dǎo)致絕緣層損壞，比如絕緣層立刻融化，或者絕緣層會變得很脆弱，遲早要開裂。因此，如果被給出的是功率而不是視在功率，則必須假定一個功率因數(shù)；否則，可能會連接一臺功率因數(shù)不高的用電設(shè)備，雖然其額定功率與電源的額定功率一樣，但卻會使電源處于過載工作狀態(tài)。

此外，從嚴(yán)格意義上說，該設(shè)備參數(shù)的標(biāo)示不夠規(guī)范。它這樣標(biāo)示為：120 V、0.325 VA、2.7 A，其實應(yīng)該這樣標(biāo)示：0.324 kVA或324 VA (120 V×2.7 A = 324 VA)。犯了一個小錯誤就差了三個數(shù)量級。

暫且不談這些額定量，后備式UPS用于抑制浪涌電壓和降低電氣噪聲，并經(jīng)常使用密封式鉛酸電池作備份電源。噪聲濾除和共膜干擾是后備式UPS的首要作用。

噪聲濾除由電容器來實現(xiàn)。沿著電源線看過去，在手動復(fù)位的10 A電路斷路器之后，第一個元件就是1個并聯(lián)在壓敏變阻器兩端的電容器。電容器的作用是濾除線路上的高頻噪聲。電氣噪聲是由電源電路附近的電氣設(shè)備或高頻開關(guān)的感應(yīng)而產(chǎn)生的（開關(guān)產(chǎn)生電流突變，電路中的分布電感阻止其突變，產(chǎn)生突變電壓，即為噪聲電壓）。例如：如果某人把一臺真空吸塵器接到這臺UPS附近的電路上，它就會產(chǎn)生高頻電磁干擾，干擾信號會被電路所吸收，不會進入所有接到這臺UPS上的設(shè)備中。

電容器用于濾除高頻噪聲，其容抗（電抗的一種）與頻率成反比，即：頻率越高，阻抗越小。它的計算公式為：

上式中的X表示電抗，單位是Ω（歐姆）（可以把電抗看成電阻，這里只是把電阻換成了電容，它與電阻一樣，同樣對電流具有阻礙作用），π為3.14，f表示電網(wǎng)頻率（60 Hz，比如北美；或者50 Hz，如歐洲國家和澳大利亞），C表示電容量，單位是F（法拉）或μF（微法拉）。

該圖中的電容型號為JNC JY472M，電容值為0.004 7 μF（0.000 000 004 7 F）。如果代入正確的數(shù)值，就會得到在60 Hz頻率的電網(wǎng)中它的電抗約為564 665 Ω。它的阻抗很大。由于該元件連接于線路與大地之間，當(dāng)工作于120 V、60 Hz的電網(wǎng)上時，會有0.21 mA電流流向大地。但是，如果電網(wǎng)頻率更高的話，比如100 kHz，那么阻抗會降到339 Ω，且漏電流為354 mA，應(yīng)該足以濾除掉噪聲了。

壓敏變阻器可有效吸收浪涌電壓并把電壓限定在某數(shù)值以下，以保護所有接到UPS上的用電設(shè)備免受損壞。它連接于線路與大地之間，當(dāng)浪涌電壓出現(xiàn)時，它會抑制對地電壓。這個過程中壓敏變阻器可能要“犧牲”自身：當(dāng)線路上的浪涌電壓高到一定程度時，壓敏變阻器會像鞭炮一樣發(fā)生爆裂。

圖1 藍色的電容器用于濾除高頻噪聲，琥珀色的壓敏變阻器用于吸收浪涌電壓所產(chǎn)生的能量。

圖2 （左圖）在交流電正半周，電流沿紅色路徑流動；（右圖）在交流電負(fù)半周，電流沿綠色路徑流動。

圖3 橋式整流器輸出的是脈動直流電流。

圖4 電池電源上的電壓波形和電流波形。負(fù)載為500 W的白熾燈。

其后有一個由線電壓供電的充電裝置，作用是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，來為機內(nèi)電池充電；還有一個逆變器，當(dāng)失電時，它會將電池提供的直流電轉(zhuǎn)換回交流電。

交流電轉(zhuǎn)換成直流電相對而言比較簡單。首先，由變壓器把120 V電壓降到約12 VA交流電壓。變壓器的輸出端與4個二極管接成的全波橋式整流器相連。它把交流波形轉(zhuǎn)換成單向全波整流波形。在交流電正半周，電流沿一條路徑流動，經(jīng)橋式整流器和負(fù)載回到電源。在交流電負(fù)半周，電流沿另一條路徑流動，經(jīng)橋式整流器和負(fù)載回到電源。但是，在兩個半周，通過負(fù)載的電流方向是相同的，因此，從本質(zhì)上說，橋式整流器把負(fù)半周的電流反了個向，使其為正，這樣就把交流電轉(zhuǎn)換成了脈動直流電。

把電流轉(zhuǎn)換成脈動直流電后，再用電容器來減少其脈動程度，當(dāng)外加電壓升高時，電容器處于充電狀態(tài)，而當(dāng)電壓下降時，電容器維持其充電電壓。這樣就把脈動直流電轉(zhuǎn)換成了略有起伏的直流電，其波動程度微乎其微。最后再用LM317T穩(wěn)壓管來把電壓維持在恒定狀態(tài)。

直流電直接為電池供電，使其保持在充電狀態(tài)，以便在失電時，逆變器可以把由電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成某種形式的交流電。在這里術(shù)語“逆變器”源自：處于反向工作狀態(tài)的交流—直流變換器。從“順變”到“逆變”的關(guān)鍵所在是這對呈微型方糖狀的單刀雙擲（SPDT）繼電器。它們屬于干觸點式繼電器，當(dāng)探測到失電時，它能在電網(wǎng)電源和電池電源之間做切換。

在電池供電模式下，逆變器電路開始工作，向所接負(fù)載提供交流電。但是，與把交流電轉(zhuǎn)化成直流電相比，把直流電轉(zhuǎn)換成交流電就要復(fù)雜得多。實現(xiàn)方法有很多，有些方法十分簡單，但不會產(chǎn)生正弦波，而有些方法的確產(chǎn)生正弦波，但要復(fù)雜得多，而且需要付出更多成本。

事實證明，筆者正在拆解的這臺UPS屬于第一類。其實，它產(chǎn)生的是方波，UPS制造商喜歡把它稱為“修正正弦波”，但其實它根本就不是正弦波。電壓從0 V變到約+175 V，接著回到0 V，然后再變到-175 V，頻率為60 Hz。說它是一個修正正弦波，如同方盒子是修正球體那樣。筆者認(rèn)為把它稱為“修正方波”要更為準(zhǔn)確一些，但是作為一個營銷術(shù)語，則顯得略遜一籌。

然而，只有當(dāng)接上某些負(fù)載時，該波形的工作狀態(tài)才保持良好；如接上其他一些負(fù)載（尤其是感性負(fù)載，這類負(fù)載會因修正波供電而發(fā)出巨大熱量，從而降低了壽命），其工作狀態(tài)欠佳。還有其他一些UPS，它們可產(chǎn)生失真度極小的正弦波。通常，這些設(shè)備中有集成電路、產(chǎn)生波形的計時芯片和MOSFET管（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管），該晶體管可以控制大電流并在帶負(fù)載情況下切斷電路，該電路可以在高頻狀態(tài)下開關(guān)。正弦波逆變器類似于帶有一些輔助線路的開關(guān)電源。

市場上有許多UPS正弦波逆變器，其中有些產(chǎn)品的質(zhì)保范圍涵蓋所接設(shè)備。例如：Tripp Lite公司的HTR10-2U質(zhì)保范圍涵蓋價值達25萬美元的所接設(shè)備，CyberPower公司的CP1000PFCLCD質(zhì)保范圍涵蓋價值達35萬美元的所接設(shè)備，Juice Goose公司的NXRT-Pro系列產(chǎn)品提供5萬美元，用于所接負(fù)載的有限責(zé)任。

MA Lighting公司的grandMA等燈光控制臺帶有內(nèi)置的備份電池。當(dāng)失電時，備份電池開始工作，使控制臺保持運行狀態(tài)，利用這段時間進行保存現(xiàn)場工作、備份數(shù)據(jù)到外存和關(guān)機等操作可謂綽綽有余。當(dāng)一臺grandMA控制臺的UPS電池充滿電，一代控制臺可以用10分鐘，二代控制臺可以用7分鐘左右。不過由于它不具備電源調(diào)節(jié)功能，因此，依然應(yīng)該為其配置浪涌保護裝置。

應(yīng)該根據(jù)所需連接的負(fù)載大小、電池電源續(xù)航時間以及所需輸出端數(shù)量、是否需要在線監(jiān)測等功能來選擇相應(yīng)容量的UPS。UPS中電池的容量用AH（安培小時）來衡量。只需把電流（單位：安培）乘以時間（單位：小時）就可算出所需容量。例如：如果控制室總共需要3A電流，并且想讓它運行30分鐘，那么需要1臺容量1.5 AH（3 A×0.5 H = 1.5 AH）的UPS。

選擇UPS方波逆變器還是UPS正弦波逆變器應(yīng)視被保護設(shè)備而定。如果所接的是感性負(fù)載，也就是說如果它帶有變壓器、鎮(zhèn)流器、扼流圈或線圈（比如電機），那么應(yīng)該考慮花費更多的錢來購買UPS正弦波逆變器。如果使用的是1臺UPS非正弦波逆變器，那么，只能確保所接設(shè)備不會處于過熱運行狀態(tài)，這表示它們并非處于最佳運行狀態(tài)，有可能會過早損壞。