目录
1、UPS是什么
2、离线式UPS和在线式UPS的区别
2.1 离线式UPS
2.2 在线式UPS
2.3 在线互动式UPS
3、工频UPS与高频UPS的区别
3.1 工频UPS
3.2 高频UPS
4、UPS的额定功率
4.1 视在功率与有功功率
4.2 降额使用
5、UPS的电池与续航
5.1 UPS的后备电池
5.2 UPS的续航时间
5.3 电池放电倍率
6、UPS选购指南
6.1 确认负载类型和功率
6.2 确认UPS续航时间
6.3 计算UPS电池的放电倍率
6.4 UPS的价格
6.5 UPS的品牌
正文
1、UPS是什么
UPS也叫不间断电源，为Uninterruptible Power Supply的缩写。最基础功能为保证电力供应不间断，当市电发生停电时，能够立即使用自身电池所储备的电能替代市电，保证负载的供电不会因为市电停电而中断。使用对象为不能发生断电的负载，例如计算机、服务器、呼吸机、监控安防、实验锅炉等。对于普通人士，能够接触UPS的场景多为维持台式电脑的供电，以避免突然停电导致数据丢失和电脑故障；或维持路由器的供电，以保证打游戏期间网络不会发生中断。
UPS除了保证电力供应不中断外，其它辅助功能包括稳定市电电压，避免浪涌尖峰冲击负载等，但这些功能需要较为高级和昂贵的UPS才会具备。
除了UPS外，市面上有另一种产品叫EPS，中文名叫应急电源，英文名叫Emergency Power Supply。其功能与UPS类似，在电力中断时提供应急（紧急）电力。虽然功能上EPS和UPS相似，但两者的设计目的并不相同。EPS属于消防设备，用于意外发生导致电力中断时提供应急电力，设计时注重电力中断后的应急电力供应，但不注重供电的完全连续。因此在市电中断到EPS提供电力有一个较长的时间间隔（100ms以上），该时间间隔足以导致计算机断电关机，所以EPS和UPS不能混用。
2、离线式UPS和在线式UPS的区别
2.1 离线式UPS
离线式UPS也叫做后备式UPS，其工作原理为：当市电正常时，输出端与市电是直接接通的，因此市电的电压波动或者浪涌尖峰会直接通过UPS直达负载，UPS无法阻拦；当市电发生断电或者市电电压偏移过于离谱时，UPS会立即启动逆变器将电池电能重新逆变回220V交流电压（取决于当地供电规格或者UPS的设置），并且将输出端通过继电器切换至逆变器继续维持供电。在市电恢复后（包括平时没事时），会通过一个小功率充电电路给电池重新充电。其电路框图如下所示：
图1：离线式UPS的电路框图
需要注意的是，使用继电器切换通路会造成输出端发生短暂的断电，断电时间约为10ms以内。大多数负载能够接受10ms甚至20ms的电力中断，因此切换时间并不会导致负载故障，但在极端情况下有可能导致负载故障。
由于离线式UPS功能较为简单，所以成本较低。市面价格在500元以下的基本是离线式UPS。
2.2 在线式UPS
在线式UPS的工作原理为：市电输入后，将其升压为高压直流电HVDC（一般为650V--850V），再重新逆变回220V交流电压输出给负载；当市电发生断电或市电电压偏移过于离谱时，UPS会立即启动升压器将电池电压LVDC升至高压直流电HVDC，输送给高压直流母线，而逆变器则不受影响，继续将高压直流电逆变回220V交流电。在市电恢复后（包括平时没事时），会通过一个小功率充电电路给电池重新充电。其电路框图如下所示：
图2：在线式UPS的电路框图
由于高压直流母线会有大容量储能电容维持电压，所以市电断电事件造成的电力短暂供应中断并不会明显影响直流母线电压。同时逆变器只向高压直流母线取电，所以输出端的供电是连续的，不会发生中断。在宣传中，在线式UPS的切换时间（断电时间）为0ms。
正常而言，市电的电压波动以及市电中的浪涌和尖峰很少会达到650V--850V的程度，纵使达到也有储能电容吸收冲击能量，因此在线式UPS可以阻隔市电对负载的干扰。
由于在线式UPS的电路和功能复杂，所以成本较高。市面价格在1000元附近或以上才会看到在线式UPS。
2.3 在线互动式UPS
在线互动式UPS本质上与离线式UPS类似：当市电正常时逆变器是关闭的（有的称为反向工作，因为要给电池充电），但输入端与输出端不是完全直连，而是中间多了一个抽头特别多的工频变压器。UPS通过监测输入电压以控制继电器来选择合适的通路，从而改变变压器初级线圈的有效匝数。当市电电压偏移较大如220V偏移至170V时，则选择接通线圈匝数较小的通路，于是变压器次级线圈电压就会提高回220V附近，反之则选择接通匝数较大的通路。当市电发生断电或者市电电压偏移过于离谱时，工作过程则完全等同于离线式的UPS。其示意图如下：
图3：在线互动式UPS的电路框图
变压器的存在令在线互动式UPS拥有一定程度的电压调节能力，而不像离线式UPS那样完全无法对输出电压调节。但由于档位数量有限（大多数情况下为3--4个），并且档位选择是跳跃而不是连续的，因而仍无法做到像在线式UPS那样令输出完全稳定220V。
由于继电器的切换过程仍会造成短暂的断电，以及逆变器的工作模式与离线式UPS类似，所以任何事件导致的动作都会导致输出端的电力输出产生短暂的中断。特别是输入电压在继电器动作门限处上下波动时，在线互动式UPS会频繁地操作继电器反而比离线式UPS制造出更多的电力短暂中断，在极端的情况下可能导致负载故障（如继电器连续动作两次）。
在线互动式UPS的成本居中，成本于在线式UPS之下又与离线式UPS重叠，市面价格在1000元以下和以上均有它的身影。现在电商平台上有的商家会将在线互动式UPS说成是离线式UPS，但在商品详细描述中会有“稳压”相关的字样，购买时请注意分辨。
3、工频UPS与高频UPS的区别
3.1 工频UPS
工频UPS的逆变器输出频率为低频50Hz或60Hz，与电网频率相同。其输出波形为修正正弦波或者为矩形方波。修正正弦波的示波器图形如下（本人亲自购买并测量出的波形）：
图4：修正正弦波波形
图5：修正正弦波波形参数
工频UPS的优点是制造成本低，市面价格在500元以下的基本都是工频UPS。并且具有较高的抗过载能力和拥有较强的抗负载干扰能力。
工频UPS的缺点在于修正正弦波的电压是突变的，具有大量的高频谐波分量。因此工频UPS不能接容性和感性负载（带有电动机的负载），也不能接对输入要求高的负载（例如精密实验仪器）。同时工频UPS内部具有一个非常重的工频变压器，因此重量较重。
3.2 高频UPS
高频UPS的逆变器输出频率至少在1kHz以上，远高于电网频率。其输出波形为纯正弦波。纯正弦波的示波器图形如下（本人亲自购买并测量出的波形）：
图6：纯正弦波波形
图7：纯正弦波波形参数
高频UPS的优点是输出纯正弦波，可以接容性和感性负载，以及对输入要求高的负载。同时高频UPS内部使用的是较轻的高频变压器，因此重量较轻。
高频UPS的缺点是制造成本高，市面价格在1000元以上才会见到高频UPS。并且对过载的承受能力较低，容易受到负载电流的干扰影响。
4、UPS的额定功率
4.1 视在功率与有功功率
在购买UPS的时候，可以看到UPS的铭牌上会同时标有两个额定功率。其中一个叫视在功率S，单位VA（或V·A）；另一个叫有功功率P，单位W。
视在功率代表的是UPS的逆变器能够处理（吞吐）的电功率，也是在导线中实际流动的电力。但并不是所有的电力都会用去做功，有部分电力并没有在负载消耗而是重新返回UPS，因此实际去做功的电力会使用有功功率来衡量。有功功率代表的是UPS的电池持续输出的电功率。因此视在功率只会大于等于有功功率。
有功功率与视在功率的比值叫功率因数（符号：PF，无量纲），用来衡量真正用去做功的电力占导线传输电力的百分比（PF = P/S）。对于大多数低功率计算机、路由器，PF ≈ 0.6。因此大多数低价位的UPS，设计的有功功率只有视在功率的60%，例如：500VA , 300W。对于大功率计算机，PF ≈ 1。但从保守程度考虑，高价位UPS设计的有功功率常为视在功率的80%，例如：1000VA , 800W。
因此用户能在UPS获取的功率上限受到两个约束：视在功率（VA）约束和有功功率（W）约束。如果负载的PF值大于UPS设计的PF值，则视在功率（VA）会先达到上限，导致负载不能获得最大的有功功率（W）。例如一个1000VA , 800W的UPS，负载的PF = 0.6，则负载最大只能消耗600W，而不能用到800W。反之如果负载的PF值大于UPS设计的PF值，则有功功率（W）会先达到上限，负载不会用到全部的视在功率（VA）。例如一个1000VA , 800W的UPS，负载的PF = 1.0，则负载最大只能使用800VA，而不能用到1000VA。因此购买时需要同时留意两个参数，以避免购买其中一个参数过大，而另一个参数过小的UPS。
4.2 降额使用
在实际使用UPS时，不建议负载使用完UPS的全部供电能力，因为需要考虑负载的瞬时功耗变大（比如启动时），以及系统的冗余性（例如后期需要增添其它负载）。一般建议负载消耗功率占UPS额定功率的20%--80%，另一些资料中甚至建议负载消耗功率占UPS额定功率的50%--80%（此时UPS效率最高）。
除了不建议负载过重之外，负载过轻也不建议。因为负载过轻容易导致电池过放电，从而导致电池损坏。电池在大功率放电时电池电压会偏低（电池内阻和离子浓差极化导致），UPS为了防止电池过放电以及兼顾电池电压偏低，会设置一个偏低的触发门限。当电池在小功率放电时，电池电压偏低的程度较少，导致触发门限时电池电量已经耗尽甚至过度放电。
5、UPS的电池与续航
5.1 UPS的后备电池
截至目前，市面上绝大多数UPS采用的是阀控式免维护铅酸蓄电池作为后备电池，极少数UPS会使用锂离子电池（如磷酸铁锂）作为后备电池。铅酸蓄电池虽然存在笨重、能量密度低、环境不友好等问题，但胜在成本低、免维护、稳定性高和安全性高（相较于锂离子电池更难发生火灾和爆炸）。
5.2 UPS的续航时间
UPS的续航时间取决于电池组的容量和负载所消耗的功率。电池组的容量越大，负载消耗的功率越小，则续航时间越长。通过UPS上的铭牌或者售卖介绍，可得知电池组的额定电压与电池容量，从而可以粗略计算UPS的续航时间。
设UPS电池组的电压为U（单位：V），电池组的容量为C（单位：Ah），则电池组的能量E = U*C（单位：Wh）。假设负载消耗的电功率为P（单位：W），则电池组的续航时间t = E/P = U*C/P（单位：h）。为了更高精度地估算续航时间，可以考虑补偿UPS的能量转换效率η（无量纲）。此时续航时间t = U*C*η/P（单位：h）。现随机抽取市面上在售的几个UPS，估测其续航时间。
■ 例1：某UPS的售卖页面标注负载功率为800W时UPS可续航15分钟。该UPS的电池组为2个12V, 9Ah的电池。假设能量转换效率为90%，请估算电池能量和续航时间，并验证其准确性。
解：
电池能量：E = U*C = 2*12V*9Ah = 216Wh；
续航时间：t_800W = E*η/P = 216Wh*0.9/800W = 0.243h = 14.6min。
预计续航时间为14.6分钟，与宣传的15分钟基本相同。
■ 例2：某UPS的售卖页面标注负载功率为100W时UPS可续航30分钟。该UPS的电池组为1个12V, 9Ah的电池。能量转换效率为83%，请估算电池能量和续航时间，并验证其准确性。
解：
电池能量：E = U*C = 1*12V*9Ah = 108Wh；
续航时间：t_100W = E*η/P = 108Wh*0.83/100W = 0.896h = 53.8min。
预计续航时间为53分钟，与宣传的30分钟相差巨大，可能某一数据存在巨大偏差。
该UPS的额定有功功率为600W，估算满载续航时间为t_600W = 0.149h = 9.0min。
■ 例3：某UPS的售卖页面标注负载功率为800W时UPS可续航4小时。该UPS的电池组为3个12V, 100Ah 的电池。假设能量转换效率为90%，请估算电池能量和续航时间，并验证其准确性。
解：
电池能量：E = U*C = 3*12V*100Ah = 3600Wh；
续航时间：t_800W = E*η/P = 3600Wh*0.9/800W = 4.05h。
预计续航时间为4小时，与宣传的4小时基本相同。
该UPS为本人购买并用于给计算机供电，计算机空载下为100W，满载下为300W。估算空载续航时间为t_100W = 32.4h，满载续航时间为t_300W = 10.8h。
实际上UPS的续航时间会受到放电倍率的影响，电池组在高倍率放电时，电池组并不能释放全部的电量，因此续航时间仅供参考。
同时可以发现，大多数普通版本（内置电池版本）的UPS，其满载续航时间并不长，只有10分钟左右。因此UPS仅能保证负载不受瞬时或者短时间的市电中断影响，但若遇到长时间停电，用户需要在这个时间段内要么将计算机关闭，要么启用应急电源或者柴油发电机，而不是任由UPS的电量耗尽。长延时型号的UPS只是给用户争取更长的时间，但用户第一目标仍是争取在这个时间内恢复电力，而不是万事大吉。
5.3 电池放电倍率
大多数UPS的后备电池为铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池是存在放电倍率限制的，因此可以通过计算UPS的放电倍率，以估算UPS电池负荷或者该UPS是否存在虚标问题。
设负载消耗的电功率为P（单位：W），UPS的能量转换效率为η（无量纲），UPS电池组的电压为U（单位：V），则电池组的电流为I = P/(U*η)（单位：A）。若电池组的容量为C（单位：Ah），则放电倍率为I/C = P/(U*η*C)（无量纲）。现随机抽取市面上在售的几个UPS，估测其放电倍率。
■ 例1：某UPS的电池组为2个12V, 9Ah的电池，额定负载功率800W。假设能量转换效率为90%，计算电池放电倍率。
解：
电池放电电流：I = P/(U*η) = 800W/(2*12V*0.9) = 37.04A；
电池放电倍率：I/C = 37.04A/9Ah = 4.116。
对于铅酸蓄电池而言这是一个较高的放电倍率，电池不能长时间以这个倍率进行放电，但仍在可接受范围内。
■ 例2：某UPS的电池组为1个12V, 9Ah的电池，额定负载功率600W。能量转换效率为83%，计算电池放电倍率。
解：
电池放电电流：I = P/(U*η) = 600W/(1*12V*0.83) = 60.24A；
电池放电倍率：I/C = 60.24A/9Ah = 6.693。
对于铅酸蓄电池而言这是一个极高的放电倍率，甚至可以怀疑该UPS是否在虚标额定功率。本人购买过该UPS并对其测试，实际上在300W就已经触发过载保护（PF ≈ 1），功率严重虚标。
■ 例3：某UPS的电池组为3个12V, 100Ah的电池，额定负载功率800W。假设能量转换效率为90%，计算电池放电倍率。
解：
电池放电电流：I = P/(U*η) = 800W/(3*12V*0.9) = 24.69A；
电池放电倍率：I/C = 24.69A/100Ah = 0.247。
对于铅酸蓄电池而言这是一个正常的放电倍率，电池在这个放电倍率下可长时间工作，没有任何的问题。
6、UPS选购指南
注：本选购指南针对于购买小功率UPS（< 3kVA）的个人用户，购买大功率UPS（> 5kVA）的企业/机构用户请参考其它资料。
6.1 确认负载类型和功率
对于普通个人计算机、手机、路由器的负载，其对输入波形要求较低，因此对UPS的输出波形没有限制。对于含有大型电容组或含有交流电动机的负载属于容性、感性负载，这类负载不能输入修正正弦波或者矩形方波，因此必须选择纯正弦波UPS。筛选关键字“纯正弦波”、“高频”。
对于普通个人计算机、手机、路由器等智能电子产品负载，其PF ≈ 0.6。对于大功率个人计算机或者含有主动式PFC的负载，其PF ≈ 1。烧水壶，电热丝等发热类负载，其PF ≈ 1。对于大型电容组或含有交流电动机的负载，其PF值取决于具体设备，有可能会很低。得知负载的额定功率（W）后，通过S = P/PF得到视在功率（VA）。若对负载的实际消耗功率无法判断，可以先行购买一个电力计，直接测量负载所消耗的视在功率和有功功率来获得数据。
在得知负载的功率后，最小需要按照负载最大功率的1.2倍选购UPS，不能贴线选取。但也不能买得太大，需在负载功率的5倍以下。但如果负载功率实在太小（例如用300W的UPS供应一个5W的路由器），那也只能选择功率型号最小的UPS。
6.2 确认UPS续航时间
根据自己该处可能发生的断电时长，或者从断电开始到自己发现断电，再到自己能够恢复电力的时间（如：启动柴油发电机组）来选择UPS的续航时间。请根据5.2章内容对待购的UPS的续航时间进行计算，以筛选出适合自己的UPS。
对于续航时间同样需要留出冗余，因为电池组并不一定释放100%电量，而且也不建议释放全部电量，容易造成电池组损坏报废，建议按照预期需要续航时间的2倍选购UPS。若需要的维持时间实在太短（比如应急电源能在1分钟内恢复电力），则可以按照最普通的型号进行购买。
6.3 计算UPS电池的放电倍率
根据5.3章的内容计算UPS的电池放电倍率，可以粗略估算电池放电倍率是否符合实际，从而筛除虚标功率的UPS，避免购买到坑货。铅酸蓄电池的放电倍率在1.0以下都可以认为是正常的，并且可以进行长时间放电，但大多数UPS的放电倍率都会超过1.0，小于5.0。放电倍率超过5.0会导致铅酸蓄电池严重发热，电池寿命会受到严重影响。纵使UPS功率没有虚标，也不建议使用这样的UPS。
6.4 UPS的价格
购买UPS的价格至少需要100以上（数据来源于电商平台）；大部分离线式、工频UPS的价格分布在300--1000的区间内；在线式、高频UPS的价格至少需要1000元以上（个别小于1000但也接近）。目前这类UPS只能提供10分钟左右的续航时间，若需要购买长延时型号的UPS，价格至少需要2000元附近或以上，并且绝大多数的价钱会耗费在电池上。
总之一分钱一分货，钱不到位UPS肯定好不起来。若负载断电所造成的损失会大于UPS价格的时候（如负载是个医疗生命支持系统），作为用户应该得知道在这个地方不能省。
6.5 UPS的品牌
本人购买的UPS品牌数量较少，无法提供不同品牌的评价，但仍可以在此提一些意见：大品牌也会有垃圾的产品，小品牌也会有好的产品。什么意思呢：假设你只是购买一个300元左右的离线式工频UPS，就算是大品牌，销量第一，其再好也好不了哪里去，难免会遇到虚标功率的问题。反之如果你是购买一个1000元左右的在线式高频纯正弦UPS，就算是小品牌或者山寨牌，它也不一定很糟糕，甚至可能还不错。因为在300元的区间，成本已经压缩到极致，在这个价位下不仅难以做出一个好的UPS，甚至还会出现偷工减料的情况（我购买并拆开过一个，里头连保险丝都省了，螺丝都得省两个）。而如果在1000元的区间，成本会比较宽裕，此时在线式高频UPS属于高端的产品，购买这些的一般是大客户，只要品牌不是做一阵子就跑路那种，就算是个小品牌也是想在这个区间把名声做好的，它的高端产品就不会差到哪里去。
后记
本人在2022年10月期间遭受了停电，停电时间1s。但就是这样的瞬态停电导致本人计算机连续开机51天的记录被boom掉，而且还因为这件事搞得心脏病发作差点死掉。所以必须要有UPS，UPS能救命。
刚开始购买的时候，本来想买个便宜的后备式UPS暂时顶用一下，结果是个垃圾货，额定600W。然后我开电脑跑一下FPU压力测试，功率300W左右，结果这个UPS开始滴滴叫（这个声音说明书说指过载了，载荷为100%--120%），纳闷了几秒钟后，直接断开输出，电脑再次boom，心脏病再次发作。所以垃圾的UPS有时候救不了命，甚至会致命。
图8_表情
当然不能就这样退货了事，毕竟自己做电子的，退货前先测一下波形，好一个矩形方波，也解释了为什么我电脑在待机的时候，一直发出奇怪的滋滋声音。所以放弃了工频UPS，选择纯正弦UPS，但纯正弦UPS基本都是在线式，功率起步1kVA, 800W，价格起步1000。不过这时候与心脏病发作死掉相比，1000已经算不了什么了。第二个起码没令我失望，测了下波形，令人舒适的正弦波，电脑待机也不会有滋滋的声音了。
有缺点吗，有！大功率UPS会有风扇，而且转速还不低，所以挺吵的。
后来在Bilibili搜索UPS，结果搜到某学生UP主在这里推荐我退货的那台UPS（这款在网络上出镜率还挺高）。仇货相见分外眼红，不过他用来供路由器和手机那也不好说什么，但千万别用来供台式机。
在此写下UPS的常识和选购指南，希望读者可以避开我所走的弯路。顺便在此感谢@a_smart_pig，令我发现本文的不足并追加了新的内容。
by HD-nuke8800
编写完成于：2023/08/04
追加内容于：2023/10/04
