電腦達人養成計畫 6-2:深入剖析不斷電系統 (UPS)

接下來要介紹的這類產品或許比較少人有實際選購或使用的經驗,不過既然介紹了電源供應器,接著談不斷電系統應該還蠻順理成章的吧?隨著個人電腦穩定性的改善與全天候維持電腦穩定運作的需求持續減少,近十幾年內選購不斷電系統的人日益減少,不過去年發生的 815 全台大停電事件倒是讓不斷電系統這個久未聽聞的名詞再次出現在人們的討論中。

簡介不斷電系統

不斷電系統 (Uninterupted Power Supply) 顧名思義是用來防止電腦在運作過程中因為跳電等外部電力來源的不穩定情況導致電腦發生斷電事件的裝置,其實說白了就是電腦專用的外掛電瓶。

常見的不斷電系統外觀上大多如同上圖,是一台體積不小、重量也不輕的裝置,由控制系統與儲電裝置兩大部分所組成,絕大多數 UPS 都使用鉛蓄電池 (類似汽車電瓶,原理一樣只是組合方式跟電壓有點不同) 作為儲電裝置,不過近年也有少數型號改為使用鋰離子電池或鋰聚合物電池。

不斷電系統的分類與原理

基本上不斷電系統依據其運作模式設計的不同可以分為在線式 (On-Line)、在線互動式 (Line-Interactive) 與離線式 (Off-Line) 三大類,這三種不斷電系統的功能與特性都有很大的不同,在價格上也有很明顯的差異。

離線式 UPS (Off-Line)

離線式 UPS 是三種 UPS 當中運作模式最為單純、最容易理解的,這類 UPS 之所以被稱為離線式的原因是其在平常市電正常運作的時候基本上並沒有任何作用,就像是把電池與電腦接在同一個延長線上一樣,電腦使用的是直接來自市電的電源,UPS 自身則是只使用內建的直流變壓器為其內建的儲電裝置進行充電。

當市電出現異常的時候,UPS 就會在幾毫秒內透過切換內建的開關把輸出路徑由市電直接連線改為與 UPS 內部的交流電轉換器連接,從而使電力來源切換為其內建的電池 (電腦可以承受數個毫秒的電源中斷而不會發生問題) 以達到電力備援的目的,由於只有在市電出狀況時才會發揮作用,平常電腦使用的電力則不會經過 UPS,因此被稱為離線式。

離線式 UPS 的特色在於結構與原理實作上相對比較簡單,因此成本也比較低廉,但是通常只能輸出近似正弦波、缺乏穩壓與抗雜訊功能,且在切換供電時出現的時間落差對電子元件來說仍然不是甚麼有益的事情,然而由於一般個人用戶大多沒有採購 UPS 的計畫,會選用 UPS 的用戶通常都是較高階電腦系統的使用者或是商務用途,因此近年來離線式 UPS 的數量有減少的趨勢,也比較少見到有人選購了。

在線式 UPS (On-Line)

相對於離線式 UPS 只有在市電發生異常的時候才會將電力供應從市電切換到電池供電,在線式的 UPS 則是不論市電是否正常運作,電力公司所提供的電力將會先由 UPS 用的直流轉換器與濾波器轉換處理為直流電之後同時用於為內建儲電裝置充電與經過交流轉換器將其再次轉換回交流電後提供給電腦設備使用,因此連接在在線式 UPS 上的電腦將不會直接使用市電。

然而為了避免在 UPS 本身發生問題而無法正常供電時導致電腦斷電的情況發生,在線式 UPS 都具備「旁路 (Bypass)」設計,當 UPS 設備本身出問題時就會切換到旁路模式,讓電腦在此種情況發生時可以直接從市電取得電源。

由於使用在線式 UPS 時電腦所使用的所有電力都會經過 UPS 進行直流轉換等處理,因此可以確保電腦等終端設備所獲取的電力始終保持穩定、高品質 (在線式 UPS 輸出的都是完美無干擾、無相位差、無雜訊的正弦波,而且在市電發生障礙時也不會有任何進行切換而產生的中斷時間),對於設備的保護力是所有種類的 UPS 設備當中最強的,不論是突波、雜訊、電壓過低或過高的情況都能妥善處理,但也因此使得在線式 UPS 往往最為複雜、體積龐大與成本高昂,一般多見於機房設備。

在線互動式 (Line-Interactive)

接下來要看的就是目前最為常見,但最難透過名稱理解的在線互動式 UPS,或許不少人在看到在線互動是這一名稱的時候會認為此類 UPS 與在線式 UPS 可能很相似或是比在線式 UPS 更高級,但實際上並非如此,在線互動式 UPS 在架構上其實與離線式 UPS 非常相近

在線互動式 UPS 在結構上相較於離線式 UPS 而言主要是增加了雙向轉換器與 AVR (進階電壓調整) 穩壓器,在市電正常運作時來自電力公司的電力將兵分二路,其中一條在通過 AVR 穩壓之後直接供應電腦使用,另一條則同步進行電池的充電,當市電發生中斷時,則與離線式 UPS 相同會將電力來源切換到內建的儲電裝置,透過內部的交流轉換器將儲電裝置內的電力轉為交流電用於供應電腦使用。

而在線互動式 UPS 與離線式 UPS 最大的差異就是剛剛提過的 AVR 穩壓器,當電壓出現偏高或偏低情況的時候,AVR 便會自動介入調整電壓使輸出到設備上的電壓能夠維持恆定,而根據 AVR 穩壓電路設計的等級不同,在線互動式 UPS 可能會在電路中加裝正弦脈衝調變 SPWM 裝置使其得以輸出純正弦波或因成本考慮而直接輸出近似正弦波,一般而言能夠輸出純正弦波的型號價格較高,但對於電腦而言是較為優質的電力來源。

至於若發生突波或電壓驟降超過 AVR 穩壓器所能調控的極限時,在線互動式 UPS 就會採取類似離線式 UPS 的方式自動將電力來源切換到 UPS 內建的儲電設備 (此部分與離線式 UPS 一樣,有著切換過程會出現時間差的問題,因此保護性略較在線式 UPS 差)。

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。

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