電能是現在社會中使用范圍最廣泛的能源，仔細觀察一下我們周圍，電燈，手機，電腦甚至電梯、地鐵等等都是用電力驅動的設備，可以說電已經深入我們的身邊的每一個角落，無論是生產還是生活都離不開電能。最近有個很極端的例子，委內瑞拉全國大規模停電，導致全國上下生產生活陷入停滯，甚至在民眾中產生了大范圍的恐慌情緒。可以看出，電力是日常生活中最重要的能源，沒有了電力，人類生活水平可以說直接要倒退100年以上。

同樣的，在機房的基礎設施中，電力作為唯一的直接能源，在機房運行中起到了至關重要的作用。在電氣系統的設計、施工以及運維工作中，所作的大部分工作都是圍繞著“不能斷電”的原則開展的。基于這個原則，我們的生產機房采用了2N供電的冗余設計架構，進行了開關電纜的匹配選型，配置了各個層級的電力監控，當然還有大規模應用的不間斷電源系統（UPS，uninterruptiblepowersupply）。

本文將主要介紹電力系統中三相電及UPS系統的運行原理，希望大家閱讀本文之后能有所收獲。

三相交流電

交流電泛指一切電壓大小和方向都發生周期性變化的電流。交流電因為可以通過變壓器進行簡單的變壓操作，增加電壓，減少電流，進而減小輸電線路的損耗，被廣泛用于電氣系統中。我國日常使用的交流電是電壓為220V，頻率為50Hz的正弦波電壓，具體波形見下圖。

其中Em是電壓最大值，ω指的是頻率角速度。換算到我們日常的數字，交流電的有效值

Ue=Em=220V,

頻率f=2π/ω=50Hz。

回顧了220V交流電，我們再來看看交流電是如何產生的。下圖簡易的說明了交流電機的運轉方式。簡單來說就是電極導體旋轉并切割磁場就可以產生電壓，由于旋轉過程中需要正向和反向各切割一次，因此產生的便是電壓變換正負極的交流電。

但是在工業生產中，這樣只有一組導體的發電機顯然是不夠高效的，那么多空閑的空間沒有利用豈不是浪費了。于是工業生產中會在整個空間內設置多組導體，便成為了多相電機。歷史上出現過很多種相數的電機，兩相，三相，四相等等，但綜合各種要素考量，最終由于三相電的各種優勢，三相電機最終成為了應用的主流，大部分6相、12相的電機也會通過一定的接線方式轉化為三相電進行輸出。

具體說道三相電，我們可以拿一個三人自行車來舉例子：當一個人騎車的時候，兩腳做圓周運動，腳離軸的高度便可以近似成一個正弦函數Y=Msint，三個人騎車，就是處于三個不同相位的三個正弦函數。

如果三個人腳踏的旋轉角度正好錯開120度，設腳踏的高度為M，于是我從后面看他們三個人的腳踏位置為：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是說，此三個人的腳踏高度的總和為零。類似的，從三相電的曲線中也可以看出，線上三相電壓的代數和等于零！這就是三相電的特點。如果我們僅僅抽取其中的兩相電壓值，我們會發現，電壓的代數和正好與第三相電壓大小相等方向相反。

可以看出，三相電便是由三個相同電壓不同相位組成的三組電源。經過數學推導（電路計算中一般采用相量計算），當電源處于星形接線形式時（也是我們一般機房及樓宇配電常用形式），每相（火線）對中性線（零線）電壓均為220V，而兩相之間的電壓即為，也就是我們常說的380V的電源。

總結一下我們上邊說的結論，機房供電中，單相電就是220V電源；三相電就是三個220V的不同相電源，但是每兩相之間的電壓380V。

說了這么多，那么三相電和我們今天的主題UPS之間到底有什么關系呢？在實際使用中，UPS的輸入和輸出都是三相電，然而在UPS的工作原理方面，二者并沒有什么關系。

UPS運行原理

對于機房內的負載，由于重要性高，負載大，我們所用的UPS都是在線式UPS。在線式UPS是指不管電網電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，逆變器一直處于工作狀態。所以當停電時，UPS能馬上將其存儲的電能通過逆變器轉化為交流電對負載進行供電，從而達到了輸出電壓零中斷的切換目標。

在線式UPS的電路結構如下圖所示。在線式UPS一般為雙變換結構。所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經過了濾波器后，再經過交流/直流、直流/交流兩次變換后再供給負載。

最前端是輸入濾波器，一方面濾除、隔離市電對UPS系統的干擾，另一方面也避免UPS內部的高頻開關信號“污染”市電。輸入濾波器的形式有很多種，通常采用電子類EMI，成本低，效率高。也可以采用帶隔離變壓器形式的濾波器，由隔離變壓器對市電和后續電源進行電磁藕合，使得市電和UPS沒有直接電氣聯系，部分突變的干擾不會傳導至整流器中。目前我行上帝生產機房的UPS均采用了隔離變壓器的濾波形式。

在線式UPS不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出功率總是由逆變器提供。市電中斷或送電時，無任何轉換時間。平時，市電經整流器變成直流，然后再由逆變器將直流轉換成純凈的正弦電壓供給負載。另一路，市電經整流后對蓄電池進行充電。下圖中實線部分就是正常工作情況下的電流走向。

如果靜態開關的轉換是由于逆變器故障引起，UPS會發出報警信號；如果是由于過載引起，當過載消失后，靜態開關重新切換回到逆變器輸出端。

實現電壓變換的兩個主要部件分別是整流器和逆變器，分別起到交流-直流的變換和直流-交流的變換。一般UPS都采用了橋式整流的結構對交流電進行整流。下圖是簡單的橋式整流電路圖及工作原理，利用了二極管單相導通特性，在電壓處于不同方向時導通對角的二極管，配合一定的濾波穩壓結構，就可以實現交流-直流的轉換。

相比之下，逆變器的原理相對復雜，筆者在此只進行相對簡單的解釋。目前主流的逆變器都采用了脈寬調制(PWM)的方式對直流電進行變換。正弦脈寬調制是根據能量等效原理發展起來的一種脈寬調制法。

為了得到接近正弦波的脈寬調制波形，我們將正弦波的一個周期在時間上劃分成N等份（N是偶數），每一等份的脈寬都是2π/N。在每個特定的時間間隔中，可以用一個脈沖幅度都等于UΔm、脈寬與其對應的正弦波所包含的面積相等或成比例的矩形電壓脈沖來分別代替相應的正弦波部分。這樣的N個寬度不等的脈沖就組成了一個與正弦波等效的脈寬調制波形。假設正弦波的幅值為Um，等效矩形波的幅值為UΔm，則各等效矩形脈沖波的寬度為。

式中βi是各時間間隔分段的中心角，也就是各等效脈沖的位置中心角。

下圖表示了當N為12時，正弦波與脈沖寬度的關系。而在實際運行時，一般采用高頻率開關模塊產生脈沖，一般頻率在10kHZ左右。

在實際的小型UPS中，常用下圖所示的用比較器組成的正弦脈寬調制電路來實現上述脈寬調制的目的。若將三角波脈沖送到比較器的反相端（-），將正弦波送到比較器的同相端（+），則在正弦波電壓幅值大于三角波電壓時，比較器的輸出端將產生一個脈寬等于正弦波大于三角波部分所對應的時間間隔的正脈沖。于是在電壓比較器的輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。

經過脈寬調制的一系列脈沖，在經過進一步的濾波之后，便成為了各主機服務器使用的交流電源。

除了上邊提到的兩個電壓變換模塊外，給蓄電池進行充電的充電模塊也是UPS的重要組成部分。一般手機充電器采用的恒壓充電電路具有電路簡單、成本低廉等優點。但這種充電電路使蓄電池組初期充電電流較大，影響蓄電池的壽命。所以在在線式UPS中一般采用分級充電電路，即在充電初期采用恒流充電，當蓄電池端電壓達到其浮充電壓后，再采用恒壓充電。只要將額定電壓、浮充電壓、恒流充電電流設置恰當，就能使蓄電池的充電過程基本上沿著理想的充電曲線進行，從而延長蓄電池的使用壽命。在線式UPS蓄電池的典型充電特性如下圖。

通常，電池的容量都是有限的，在市電失去的情況下，一般電池能夠持續供電15分鐘~1小時，如果市電故障時間過長，就需要接入應急電源。常用的應急電源是柴油發電機，如果條件許可，也可以接入第三路市電作為應急電源。