UPS 輸出的電力波形

前面曾經提到過 UPS 所能輸出的交流電波形基本上可分為純正弦波與近似正弦波兩大類,要了解這兩類電力波形的差異之前我們得先回到交流電與直流電的本質,我們知道交流電是指電力的大小和方向都會隨時間進行週期性改變的電流 (可以電力波的形式描述,台灣使用的交流電為頻率為 60 Hz 的正弦波),而直流電則是不隨時間變化保持固定大小與方向的電流,至於為什麼我們使用的交流電要採正弦波形呢?其實可以從波形圖的特性得知。

在拿出上面四種波形比較之後,我們可以知道正弦波在週期轉換的過程中是最平滑且最不易生成諧波的,這對於電器用品來說有著安全性高、避免電力輸入瞬間劇烈變化的特性,也能降低電力輸送過程中的電能消耗,因此目前各國的交流電網都是使用正弦波的形式輸送電力的 (實際上一般的交流發電機在運用磁場變化產生電力時生成的電力波形本來就是正弦波)。

在剛剛談到 UPS 的運作原理時我們知道 UPS 內部儲存的電能主要來自於透過整流器將市電的交流電轉換為直流電之後用來為內建的儲電裝置充電,而 UPS 內建的儲電裝置輸出的也是直流電,但我們的電腦設備需要使用的是交流電,因此在 UPS 供電給電腦設備之前肯定需要再次轉換,用於將直流電轉換為交流電的設備就稱為逆變器,其基本原理則為透過高頻元件反覆改變來將直流電轉換為交流電。

然而單純透過快速往復變更電流方向我們只會得到方波形的交流電波,並無法獲得一般交流電的交流波形電波,因此一般而言 UPS 廠商會使用具備 SPWM 正弦調變能力的逆變器來生成純正弦波或近似正弦波以滿足電器的實際需求。

近似正弦波

由於生成純正弦波在技術上較為複雜,生產成本也較高因此有很多廠商在設計 UPS 時是使用近似正弦波作為其輸出電力時使用的波形,然而根據產品等級的不同,輸出波形在較高階產品上有可能較為接近純正弦波,但在某些劣質產品中也有可能較為接近方波。

近似正弦波在本質上性質仍然比較接近方波,因此在使用上比較需要注意的是此類 UPS 並不適合連結到風扇、馬達等電感型負載,否則有可能出現馬達效率差或是不轉動的狀況,對於 UPS 本身也可能出現壽命縮短等問題,雷射印表機等啟動需要瞬間高電流的裝置也不適合,但若是電腦的電源供應器使用則通常只要不要太接近方波就沒有太大的問題 (這部分與電源供應器是否具備 PFC 功率因數校正功能有關,在具備 PFC 的電源供應器上方波中的電壓瞬間歸零與備援電力切換時間有可能導致電腦運作中斷)。

純正弦波

某些較高階的在線互動式 UPS 或是所有在線式 UPS 輸出的電波波形則是純粹的正弦波,一般而言這種交流電輸出與市電完全相容,且得益於 UPS 的濾波、抗突波、穩壓等特性,透過 UPS 輸出的純正弦波比市電提供的交流電品質還要來得更好,並且可以用於任何種類的電器上而不僅限於電腦等電容型負載。

UPS 的蓄電容量

一般而言電源供應器每秒消耗與輸出的功率則使用「瓦 (W)」作為單位,而 UPS 的容量單位則通常為「伏安 (VA)」,儘管這兩個單位有很多相似之處,但實際上計算方式與用途都有所分別,在探討伏安與功率之間的差異之前,我們得回顧在上一節當中曾經提到的「功率因數」概念 (請參考「電腦達人養成計畫 6-1:帶你讀懂電源供應器 (PSU) 規格」中的相關說明)。

由於對於電腦來說,與市電隔離之後電腦的電源供應器實際上是直接取用由 UPS 內建儲電裝置所產出的電力 (此時對電腦來說此時的 UPS 就像電廠一般),因此同樣會出現無功功率的問題,也就是部分功率實際上無法用於對電腦的電源供應器做功,因此在計算 UPS 本身最大的輸出功率時便會有是否將無功功率納入考慮的問題,這也就是伏安與瓦特這兩個單位的主要差異。

如何看懂 UPS 上的標示數值?

對於 UPS 廠商來說,由於只考慮 UPS 本身並不考慮後來由使用者連接到 UPS 上的設備與過程中的電路消耗 (也就是不考慮功率因數) 因此在描述 UPS 規格的時候是使用「伏安 (VA)」作為慣用單位,也就是 UPS 本身所能輸出給裝置的最大電流乘上標準電壓之後所得到的數值,而「瓦特 (W)」則是連結到 UPS 上的電器本身所實際消耗的功率。

一般而言 UPS 製造商會為 UPS 同時設定最高輸出功率值與最高輸出伏安值,基於保護使用者、設備與產品定位上的需要,通常前者會是後者的 60% (UPS 製造商通常概估小型 UPS 系統的功率因數在 0.6 上下),實際使用時這兩個預先設定的值都是硬性規定 (無法超限利用)。

如何選購具備符合需求容量的 UPS?

不過在選購 UPS 的時候一般並不會直接依照電腦電源供應器配置的瓦數進行選購,因為電源供應器所標示的實際上是該款電源供應器所能夠輸出的最大功率,與實際使用時消耗的功率通常會有蠻大的差距,一般而言會以實際滿載運作時的消耗功率再往上加一些餘裕做為參考依據 (要特別留意應當考慮將未來升級可能需要的餘裕,此外若要一併將螢幕等周邊裝置列入保護的話,在選購 UPS 時也必須將這些設備的耗電量一併納入考慮)。

若選購蓄電容量過低的 UPS 很有可能導致裝置在完成關機或緊急程序之前就被斷電使得 UPS 的保護失去意義,但選購蓄電能力過高的 UPS 也有淺度放電導致儲電元件壽命快速下降的問題。