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2022-06-01停電後的電力從哪裡供給?不斷電系統的運作 630 期

Author 作者 陳仕偉/東海大學資工系助理教授、電腦學會秘書長、臺大生醫電子與資訊學研究所博士,具20年的資訊系統開發整合經驗。

Take Home Message

►不斷電系統是一種讓我們能在停電時維持電力的裝置,它的電池在平時儲存電能,停電時則立即將電池中的直流電轉為交流電輸出,提供機器電力。
►不斷電系統共有三大類:在線式不斷電系統是目前最穩定的方式,但成本較高;離線式的結構簡單、價格便宜,是目前民眾最常購買到的裝置;在線互動式則是功能與價格介於兩者之間的產品。
►居家的不斷電系統可設置於鐵捲門,提供電源幫助民眾在意外時得以逃生;公司機房因為有大型電腦伺服器等裝置,通常會建立在線式不斷電系統與發電機,讓機房電力不中斷,避免資料遺失。

電力的使用已經成為我們日常生活中的一部分,平常電力正常供應時我們不會注意到它的存在,然而一旦停電,就會發現「電力」影響的層面非常廣泛。停電時會產生各種狀況,例如冷氣無法使用、冰箱不再能保存食物、電梯無法運作,使得生活幾乎停擺;工作上沒有電力也會造成資訊設備無法操作,更可能造成工業及商業上不同程度的損失。

對醫院而言,停電所衍生的問題更加嚴重,因為無論在病房、手術房都有許多維持生命的裝置,如果這些裝置停擺,可能會影響到患者的生命。此時我們就需要有不斷電系統(uninterruptible power supply, UPS),才能維持各項工作的進行。

不斷電系統怎麼啟用、輸電?

所謂的「不斷電系統」,其實就是一種停電時能維持電力的裝置。不斷電系統的電池具備蓄電功能,並能同時供給裝置正常的電力。當停電狀況產生時,不斷電系統能立即接手供電,將電池中的直流電轉換成交流電,用來輸出並維持各種機器的正常運作。此時除了持續提供設備電力,不斷電系統也幫助使用者在完全斷電的情況下依照正常程序關閉系統,以減少設備損壞或資料遺失的情況發生。而不斷電系統又可以分為在線式(on line)、離線式(off line)、在線互動式(line interactive)三大類:
1. 在線式
能將台電提供的交流電(alternating current, AC)轉換成電池的直流電(direct current, DC)儲存,除了儲存電力在電池之中,也能同時由不斷電系統提供電力給電器設備。簡單來說,這些電器設備平時使用的就是不斷電系統的電力,一旦停電狀況發生,設備依然能保持正常運作完全不會受影響,也不需要任何切換時間。此外,由於所有電力都會經過不斷電系統的轉換,產生最佳的正弦波(sine wave)交流電,因此還可以增加設備對雜訊、突波的保護能力。雖然使用在線式不斷電系統是目前最穩定的方式,但此類設備架構較為複雜、成本較高,大多只適用於精密儀器。
2. 離線式
離線式是最簡單的不斷電系統,它的內部會有兩條線路,第一條線路是將台電的供電連接上設備,另外一條則是將台電供電連接上不斷電系統的電池。雖然外表看起來設備都連接著不斷電系統,但其實平時就走第一條線路接收台電的供電,所以目前的供電狀況如何,設備都會照單全收,如果電力系統發生雜訊、突波,電器設備也會直接受到影響。當斷電的情況不幸發生時,會在幾十毫秒(ms)內切換至第二條不斷電系統的電池路徑,由於這段時間相當短暫,以電腦來說並不會因此而關機,但會對精密設備的電子元件造成損傷,可能會影響硬體壽命。因為結構簡單、價格便宜,是目前民眾最常購買到的不斷電裝置。

3. 在線互動式
當使用者覺得離線式不夠有保障、擔心設備壽命會因電流突然中斷而受影響,又在意在線式的價格太高時,這時「在線互動式不斷電系統」就是一種最佳的選擇。在線互動式不斷電系統是一種功能與價格都介於前面兩者之間的產品,主要希望能達到在線式的優點,而價格卻儘量接近離線式。雖然各家廠商提供的方式不同,但是我們可以藉由是否有比離線式更好的濾波、更短的切換時間、更穩定的電力供應來評估。例如在電壓不穩定時,不斷電系統就會開始供應電池電力,停電時的電力切換時間也能比離線式短,甚至達到無縫接軌。大部分裝置都會透過建立「電源管理程式」及「穩壓裝置」(automatic voltage regulator, AVR)來改善這種不斷電系統的電力供應。

常見的在線互動式不斷電系統。

 

哪些地方需要不斷電裝置?

在了解不斷電系統的類別之後,我們需要評估哪些地方需要使用不斷電系統。但由於每個場域的電力需求都不盡相同,所以該如何選擇適合的不斷電系統呢?……【更多內容請閱讀科學月刊第630期】