UPS电源的组成与基本原理
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> 这就使得负荷(用电器)与电网供电质量之间的矛盾日趋加深，必须解决。 > 在诸多的解决电源的方案中，UPS是最好的解决方案。
整理课件
page 5
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 停电：短时间的、长时间的...
骚扰
特征
停电(Power outages)
间断(Micro-outages)
> 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的供电标准：
–供电标准EN 50160 定义了欧洲配电系统中的如下一些正常波动：电压 +10% 到 -15% (每10分钟间隔的平均有效值)，其中每周95%的时间必须在±10%的 范围内； 频率 +4％ 到 -6% ，一年中有99.5%的时间在1%的范围内
– 国家标准《电子计算机场地通用规范》（GB/T-2887-2000）中关于机房供配电 要求如下： 频率：50Hz， 电压：380V／220V，相数：三相五线制或三相四 线制／单相三线制：
输出
整理课件
page 3
1. UPS的基础知识
UPS的定义
> UPS是电力电子技术的产品： 以电力为对象，以电子技术为手段实现控制的技术称为电力电子技术。 它的主要任务是利用电力和电子器件实现对电能的控制和转换。
– 从1956年第一只可控硅（SCR）诞生之日起，即进入了电 力电子技术的时代。70年代末期由微电子技术与电力晶体 管（GTR）技术相结合，进入了现代电力电子技术的时代。
UPS电源的组成与 基本原理
培训资料
目录
１.UPS的基础知识
> UPS的定义 > UPS的主要作用 > UPS的分类和拓扑结构 > UPS的基本组成
２.UPS的基本运行原理
> 正常运行方式 > 电池后备运行方式 > 旁路运行方式 > 维修运行方式
整理课件
1. UPS的基础知识
UPS的定义
> UPS是英文Uninterruptable Power Supply的缩写，中文译 为“不间断电源”；
最全面、性能最好，因而得到各个领域的广泛应用。
整理课件
page 12
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
1.两路电源之间的无间断相互切换；
一类供电 第二路供电
UPS 三类供电 第一路供电
输出
2.隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电 网干扰阻挡在负载之前，即使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干 扰不影响负载；
器对电池组进行浮充电以 保证电池处于充满的状态；
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 17
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line)
> 工作原理 – 电池放电运行方式：当交 流输入电压超出了UPS的 允许容限范围，或市电中 断时，逆变器和电池在经 过一个很短的切换时间( 切换时间小于10毫秒)之 后投入，以保证对负载的 继续供电，直到电池提供 的后备时间结束；
炉、变频调速器。
毁坏变压器，电动 机噪声增大。
电磁或静电的传导或辐射骚 扰。目标是保证低发射率和 高抗扰性。
电 子 部 件 (晶 体 管 ，可 控 硅 ，二 极 敏 感 性 电 子 装
管)的开关 、静电释放。
置的功能失常。
page 9
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案
> 其它骚扰：高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性...
骚扰
特征
其 它 骚扰 (Other disturbances) 高 频 瞬态 (HF transients) 突 然 、巨 大和 非常 短暂 的 电
压跳变。
类似于电压尖峰。
主要起因
大气现象 (雷击)和电网切换。
主要后果
破 坏 设 备 、加 速 老 化 、器 件 或 绝 缘故障。
秒钟时间间隔的平均值)。- 频率不稳定的电源。 为±1%) ，因此可能会导
致数据的错误或丢失。
闪烁(Flicker)
由于电压和频率(<35Hz) 电焊机、电动机、电弧 生理骚扰。 的下降造成照明系统的闪 炉、X-光机、激光、电
烁。
容组。
整理课件
page 8
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰
(70% 的停电都小于1秒钟)
施工。
数据丢失(如计算机系统)或
- 长时停电：>3 分钟
生产中断(如连续处理过
程)。
整理课件
page 6
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 电压变化：电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡...
整理课件
page 7
1. UPS的基础知识
充电器 电池
逆变器
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 18
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，
也称为离线式OFF-Line) > 工作原理
充电器
– 市电恢复正常后：在经过
很短的切换时间(切换时
间小于10毫秒)后,负载切 电 池
极短的持续时间 (Short duration) 稍长的持续时间 (Medium duration)
较长的持续时间 (Long duration) 谐 波 失真 (Harmonic distortion)
电 磁 兼容 性 (EMC)
整理课件
< 1 微秒 幅值 < 1 到 2 kV 频率为几十 MHz
电压完全消失 10 毫秒。
主要起因
主要后果
大气条件、切换、故 运行故障和数据丢失(计算 障、电网施工。 机系统)或生产中断(连续处
理过程)。
停电(Outages)
电压在一个周期以上的完全消失：大气条件、切换、故 视停电持续时间而定，机器
- 短时停电： 3 分钟
障、意外事故、电网 停机并危及人身(如电梯)，
– 现代电力电子技术应用于所有的电气工程领域，例如：发 电厂的储能设备、直流输电设备、动态无功补偿、电力机 车牵引、变频调速电机、不间断电源、开关电源、中高频 感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用 电器等等 。
整理课件
page 4
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——为什么要使用 UPS？
> 随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大 部分都是非线性负载(Non-Linear Load)：
– 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载； – 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载； – 产生谐波电流的负载又称为畸变负载(Deforming Loads)或污染负载(Polluting
计算机房供电允许变化的范围
项目
级别
A级
电压变化(％)
-5～+5
频率变化(Hz)
-0.2～+0.2
B级
－10～+7 -0.5～+0.5
C级
-15～+10 -l～+l
整理课件
page 10
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案
> 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的法规，限制用电器对电网造成 的扰动，规定用电器给公共电网带来的干扰限值：
整理课件
page 20
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（2）线互动式(Line Interactive) > 组成： – 静态开关 – 双向逆变器 – 电池 – 旁路开关
主交流 输入
如果只有一路交流输入
静态开关
旁路交流 输入
电池 逆变器
维修旁路
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line) > 工作原理 – 正常运行方式：负载由市 电 通过一个可消除某些特 定的骚扰并提供一定程度
充电器 电池
逆变器
的电压调节 的 滤 波 装置为
负载供电 ； 逆变器运行在
被动后备的模式下 ； 充 电
–国际电工委员会制定的标准IEC1000-3-2, –欧洲标准EN60555-2, –瑞士标准ASE3600， –美国标准IEEE519； –以及国家标准GB 12326-90（电能质量－电压允许波动和闪变）、GB/T 14549
－93 （电能质量－公用电网谐波）等。
> 人们用了多年的时间来寻找各种解决办法最后才创造出UPS这样的新型设 备, 使电网和用电器进行隔离, 既避免负载对电网产生干扰, 又避免电 网中的干扰进入和影响负载。
Load);
> 一方面，这些非线性负载给电网带来了大量的谐波以及其它的干扰，使供 电的质量越来越坏;
> 另一方面，一些重要的用电部门，如机场、医院、银行等和一些重要的用 电设备：如计算机、通讯设备等，对供电质量的要求越来越高:不仅要求 不停电，还要求电压、频率稳定，还要求波形准确完好。简而言之，需要 有一个干净或净化的电源；
整理课件
page 11
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰，各种电气装置解决方案的比较
隔离变 稳压器 电源净 调谐滤 动态机 铁磁共 电力
压器
化器 波器 组 振 UPS UPS
噪声
*
*
*
*
*
*
电压变化
*
*
*
*
*
频率变化
*
瞬间间断
*
*
*
断电
*
*
*
谐波
*
*
*
*
后备时间
无
有
在众多的解决方案中，只有UPS的抗电网干扰的功能
整理课件
page 15
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，
也称为离线式OFF-Line) > 组成
充电器
– 充电器
– 逆变器
– 电池
电池
– 滤波器/调压器
交流输入 逆变器
正常方式 电池后备方式
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 16
1. UPS的基础知识
> 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置； > 从严格意义上讲，UPS不是一种电源，它不是依靠能量形式
的转换来提供电能，它只是提供一种两路电源之间无间断 切换的机会，这才是UPS的主要设计思想； > UPS的价格之所以昂贵，就是贵在这种不间断切换的特点上
一类供电 第二路供电
UPS 三类供电 第一路供电
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 频率变化：频率波动、过高、过低、闪烁...
骚扰
特征
主要起因
主要后果
频率变化(Frequency variations)
频率波动(Frequency 频率的不稳定性。
- 发电机组的调整； 这些变化超出了某些仪表
fluctuations)
典型情况为+5%、 -6%(10 - 发电机组的运行失调；和计算机的容限范围(通常
小 型 感 性 负 载 的 起 动 ，低 压 继 电 器和接触器的重复开、关。
1 微秒到 100 微秒
故 障 (闪 电 )或高 压开 关的
峰 值 为 额 定 电 压 的 8 到 10 倍 ，频 切 换 通 过 电 磁 耦 合 传 输 到 低 压
率为几 MHz
系统。
> 100 微秒 峰值为额定电压的 3 到 5 倍 频率为几百 KHz)。
50Hz(稳频作用)
50Hz
UPS
60Hz(频率变换)
整理课件
page 14
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
5.提供一定的后备时间：UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或 间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为10分钟、30分钟、 60分钟或更长。
输入
整流器
直流
逆变器
输出
电池
1)和5)是保证对负载供电的连续性； 2)、3)和4)是保证对负载供电的质量。
感性负载停机或高压故障通过 电磁耦合传输到低压系统。
非线性负载吸收的谐波电流造成 电流和电压的波形失真。25 次以 上的谐波往往可以忽略不计。
带 磁 芯 的 电 力 机 械 (电 动 机 、空 载 设 备 需 增 容 ， 温 度
变 压 器 ，等 等 )、开 关 电 源 、电 弧 升 高 ， 电 容 谐 振 ，
逆变器
换回市电供电;充电器开
始给电池进行恢复充电，
直到充满后转入浮充电状
态。
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 19
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式(OFF-Line))
> 应用：小于2KVA的UPS； > 优点：电路简单，价格便宜； > 缺点：频率不能调节，切换有间断。
输入
整流器
直流
逆变器
输出
整理课件
page 13
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
3.电压变换作用：输入电压等于或不等于输出电压，如380V/380V， 380V/220V，包括稳压作用；
220Vac (稳压作用)
220Vac
UPS
230Vac
240Vac
4.频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz， 50Hz/60Hz，包括稳频作用；
整理课件
page 5
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 停电：短时间的、长时间的...
骚扰
特征
停电(Power outages)
间断(Micro-outages)
> 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的供电标准：
–供电标准EN 50160 定义了欧洲配电系统中的如下一些正常波动：电压 +10% 到 -15% (每10分钟间隔的平均有效值)，其中每周95%的时间必须在±10%的 范围内； 频率 +4％ 到 -6% ，一年中有99.5%的时间在1%的范围内
– 国家标准《电子计算机场地通用规范》（GB/T-2887-2000）中关于机房供配电 要求如下： 频率：50Hz， 电压：380V／220V，相数：三相五线制或三相四 线制／单相三线制：
输出
整理课件
page 3
1. UPS的基础知识
UPS的定义
> UPS是电力电子技术的产品： 以电力为对象，以电子技术为手段实现控制的技术称为电力电子技术。 它的主要任务是利用电力和电子器件实现对电能的控制和转换。
– 从1956年第一只可控硅（SCR）诞生之日起，即进入了电 力电子技术的时代。70年代末期由微电子技术与电力晶体 管（GTR）技术相结合，进入了现代电力电子技术的时代。
UPS电源的组成与 基本原理
培训资料
目录
１.UPS的基础知识
> UPS的定义 > UPS的主要作用 > UPS的分类和拓扑结构 > UPS的基本组成
２.UPS的基本运行原理
> 正常运行方式 > 电池后备运行方式 > 旁路运行方式 > 维修运行方式
整理课件
1. UPS的基础知识
UPS的定义
> UPS是英文Uninterruptable Power Supply的缩写，中文译 为“不间断电源”；
最全面、性能最好，因而得到各个领域的广泛应用。
整理课件
page 12
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
1.两路电源之间的无间断相互切换；
一类供电 第二路供电
UPS 三类供电 第一路供电
输出
2.隔离作用：将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动以及电压噪声等电 网干扰阻挡在负载之前，即使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干 扰不影响负载；
器对电池组进行浮充电以 保证电池处于充满的状态；
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 17
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line)
> 工作原理 – 电池放电运行方式：当交 流输入电压超出了UPS的 允许容限范围，或市电中 断时，逆变器和电池在经 过一个很短的切换时间( 切换时间小于10毫秒)之 后投入，以保证对负载的 继续供电，直到电池提供 的后备时间结束；
炉、变频调速器。
毁坏变压器，电动 机噪声增大。
电磁或静电的传导或辐射骚 扰。目标是保证低发射率和 高抗扰性。
电 子 部 件 (晶 体 管 ，可 控 硅 ，二 极 敏 感 性 电 子 装
管)的开关 、静电释放。
置的功能失常。
page 9
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案
> 其它骚扰：高频瞬态冲击、谐波、电磁兼容性...
骚扰
特征
其 它 骚扰 (Other disturbances) 高 频 瞬态 (HF transients) 突 然 、巨 大和 非常 短暂 的 电
压跳变。
类似于电压尖峰。
主要起因
大气现象 (雷击)和电网切换。
主要后果
破 坏 设 备 、加 速 老 化 、器 件 或 绝 缘故障。
秒钟时间间隔的平均值)。- 频率不稳定的电源。 为±1%) ，因此可能会导
致数据的错误或丢失。
闪烁(Flicker)
由于电压和频率(<35Hz) 电焊机、电动机、电弧 生理骚扰。 的下降造成照明系统的闪 炉、X-光机、激光、电
烁。
容组。
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page 8
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰
(70% 的停电都小于1秒钟)
施工。
数据丢失(如计算机系统)或
- 长时停电：>3 分钟
生产中断(如连续处理过
程)。
整理课件
page 6
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 电压变化：电压跌落、过电压、欠电压、电压尖峰、三相不平衡...
整理课件
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1. UPS的基础知识
充电器 电池
逆变器
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
整理课件
page 18
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，
也称为离线式OFF-Line) > 工作原理
充电器
– 市电恢复正常后：在经过
很短的切换时间(切换时
间小于10毫秒)后,负载切 电 池
极短的持续时间 (Short duration) 稍长的持续时间 (Medium duration)
较长的持续时间 (Long duration) 谐 波 失真 (Harmonic distortion)
电 磁 兼容 性 (EMC)
整理课件
< 1 微秒 幅值 < 1 到 2 kV 频率为几十 MHz
电压完全消失 10 毫秒。
主要起因
主要后果
大气条件、切换、故 运行故障和数据丢失(计算 障、电网施工。 机系统)或生产中断(连续处
理过程)。
停电(Outages)
电压在一个周期以上的完全消失：大气条件、切换、故 视停电持续时间而定，机器
- 短时停电： 3 分钟
障、意外事故、电网 停机并危及人身(如电梯)，
– 现代电力电子技术应用于所有的电气工程领域，例如：发 电厂的储能设备、直流输电设备、动态无功补偿、电力机 车牵引、变频调速电机、不间断电源、开关电源、中高频 感应电炉、电视、办公自动化、通讯、汽车自动化、家用 电器等等 。
整理课件
page 4
1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——为什么要使用 UPS？
> 随着电子技术的飞速发展，各种各样的用电器越来越多，而这其中的绝大 部分都是非线性负载(Non-Linear Load)：
– 从电网提取电流的波形与电压波形不一致的负载； – 阻抗随加在其两端的电压而变化的负载； – 产生谐波电流的负载又称为畸变负载(Deforming Loads)或污染负载(Polluting
计算机房供电允许变化的范围
项目
级别
A级
电压变化(％)
-5～+5
频率变化(Hz)
-0.2～+0.2
B级
－10～+7 -0.5～+0.5
C级
-15～+10 -l～+l
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1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中骚扰的解决方案
> 为了消除这些电网中的干扰，制定有关的法规，限制用电器对电网造成 的扰动，规定用电器给公共电网带来的干扰限值：
整理课件
page 20
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（2）线互动式(Line Interactive) > 组成： – 静态开关 – 双向逆变器 – 电池 – 旁路开关
主交流 输入
如果只有一路交流输入
静态开关
旁路交流 输入
电池 逆变器
维修旁路
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby， 也称为离线式OFF-Line) > 工作原理 – 正常运行方式：负载由市 电 通过一个可消除某些特 定的骚扰并提供一定程度
充电器 电池
逆变器
的电压调节 的 滤 波 装置为
负载供电 ； 逆变器运行在
被动后备的模式下 ； 充 电
–国际电工委员会制定的标准IEC1000-3-2, –欧洲标准EN60555-2, –瑞士标准ASE3600， –美国标准IEEE519； –以及国家标准GB 12326-90（电能质量－电压允许波动和闪变）、GB/T 14549
－93 （电能质量－公用电网谐波）等。
> 人们用了多年的时间来寻找各种解决办法最后才创造出UPS这样的新型设 备, 使电网和用电器进行隔离, 既避免负载对电网产生干扰, 又避免电 网中的干扰进入和影响负载。
Load);
> 一方面，这些非线性负载给电网带来了大量的谐波以及其它的干扰，使供 电的质量越来越坏;
> 另一方面，一些重要的用电部门，如机场、医院、银行等和一些重要的用 电设备：如计算机、通讯设备等，对供电质量的要求越来越高:不仅要求 不停电，还要求电压、频率稳定，还要求波形准确完好。简而言之，需要 有一个干净或净化的电源；
整理课件
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1. UPS的基础知识
UPS的主要作用——电网中的骚扰，各种电气装置解决方案的比较
隔离变 稳压器 电源净 调谐滤 动态机 铁磁共 电力
压器
化器 波器 组 振 UPS UPS
噪声
*
*
*
*
*
*
电压变化
*
*
*
*
*
频率变化
*
瞬间间断
*
*
*
断电
*
*
*
谐波
*
*
*
*
后备时间
无
有
在众多的解决方案中，只有UPS的抗电网干扰的功能
整理课件
page 15
1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，
也称为离线式OFF-Line) > 组成
充电器
– 充电器
– 逆变器
– 电池
电池
– 滤波器/调压器
交流输入 逆变器
正常方式 电池后备方式
滤波器 / 调压器
负载
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1. UPS的基础知识
> 它是能够实现两路电源之间不间断地相互切换的电气装置； > 从严格意义上讲，UPS不是一种电源，它不是依靠能量形式
的转换来提供电能，它只是提供一种两路电源之间无间断 切换的机会，这才是UPS的主要设计思想； > UPS的价格之所以昂贵，就是贵在这种不间断切换的特点上
一类供电 第二路供电
UPS 三类供电 第一路供电
UPS的主要作用——电网中的骚扰 > 频率变化：频率波动、过高、过低、闪烁...
骚扰
特征
主要起因
主要后果
频率变化(Frequency variations)
频率波动(Frequency 频率的不稳定性。
- 发电机组的调整； 这些变化超出了某些仪表
fluctuations)
典型情况为+5%、 -6%(10 - 发电机组的运行失调；和计算机的容限范围(通常
小 型 感 性 负 载 的 起 动 ，低 压 继 电 器和接触器的重复开、关。
1 微秒到 100 微秒
故 障 (闪 电 )或高 压开 关的
峰 值 为 额 定 电 压 的 8 到 10 倍 ，频 切 换 通 过 电 磁 耦 合 传 输 到 低 压
率为几 MHz
系统。
> 100 微秒 峰值为额定电压的 3 到 5 倍 频率为几百 KHz)。
50Hz(稳频作用)
50Hz
UPS
60Hz(频率变换)
整理课件
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1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
5.提供一定的后备时间：UPS的电池贮存一定的能量，在电网停电或 间断时继续供电一段时间来保护负载；后备时间为10分钟、30分钟、 60分钟或更长。
输入
整流器
直流
逆变器
输出
电池
1)和5)是保证对负载供电的连续性； 2)、3)和4)是保证对负载供电的质量。
感性负载停机或高压故障通过 电磁耦合传输到低压系统。
非线性负载吸收的谐波电流造成 电流和电压的波形失真。25 次以 上的谐波往往可以忽略不计。
带 磁 芯 的 电 力 机 械 (电 动 机 、空 载 设 备 需 增 容 ， 温 度
变 压 器 ，等 等 )、开 关 电 源 、电 弧 升 高 ， 电 容 谐 振 ，
逆变器
换回市电供电;充电器开
始给电池进行恢复充电，
直到充满后转入浮充电状
态。
正常方式 电池后备方式
交流输入
滤波器 / 调压器
负载
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1. UPS的基础知识
UPS的分类和拓扑结构
（1）被动后备式(Passive Standby，也称为离线式(OFF-Line))
> 应用：小于2KVA的UPS； > 优点：电路简单，价格便宜； > 缺点：频率不能调节，切换有间断。
输入
整流器
直流
逆变器
输出
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1. UPS的基础知识
UPS的主要作用
3.电压变换作用：输入电压等于或不等于输出电压，如380V/380V， 380V/220V，包括稳压作用；
220Vac (稳压作用)
220Vac
UPS
230Vac
240Vac
4.频率变换作用：输入频率等于或不等于输出频率，如50Hz/50Hz， 50Hz/60Hz，包括稳频作用；