UPS常見結(jié)構(gòu)和工作原理

1、UPS常見結(jié)構(gòu)和工作原理第一節(jié) UPS的分類 8.1 UPS的分類 對UPS的常見分類如下： 按輸出波形分為：方波（準(zhǔn)正弦波）、階梯波和正弦波。 按輸出電壓的相數(shù)可分為：單相和三相。 按輸入輸出的方式可分為：單進(jìn)單出、三進(jìn)單出、三進(jìn)三出。 按不停電供電方式可分為：后備式、在線式和在線互動(dòng)式。第一節(jié) UPS的分類 8.1 UPS的分類 對UPS的常見分類如下： 按輸出波形分為：方波（準(zhǔn)正弦波）、階梯波和正弦波。 按輸出電壓的相數(shù)可分為：單相和三相。 按輸入輸出的方式可分為：單進(jìn)單出、三進(jìn)單出、三進(jìn)三出。 按不停電供電方式可分為：后備式、在線式和在線互動(dòng)式。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 當(dāng)前市

2、場上普遍應(yīng)用的主流產(chǎn)品是靜止變換型UPS，包括后備式，在線互動(dòng)式和在線式。這里僅就這兩種電路形式的UPS的電路結(jié)構(gòu)、功能部件和性能特點(diǎn)進(jìn)行扼要說明和比較。 后備式 后備式是相對在線式而言，區(qū)分方法是看逆變器是否工作。當(dāng)交流輸入電源正常時(shí)，UPS 只是將輸入電源過濾后輸出，同時(shí)通過充電器為電池充電；交流輸入電源中斷后，UPS 切換為電池和逆變器電路供電。逆變器只有在交流輸入電源中斷后才開始工作。后備式電路結(jié)構(gòu)如圖所示。 后備式是靜止式UPS 的最初形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，一般只用于小功率供電的范圍。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 后備式電路結(jié)構(gòu)框圖 第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)（1）功能

3、部件 充電器：市電正常時(shí)，對蓄電池充電并浮充，如果是長延時(shí)UPS ，就要求它有較強(qiáng)的充電能力，或者外加相應(yīng)容量的附加充電器。 DC -AC 逆變器：市電正常時(shí)，逆變器不工作；市電掉電時(shí)，由它將直流電壓（電池供給）變成符合負(fù)載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準(zhǔn)方波、正弦波三種形式。 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)：市電正常時(shí)，接通輸入電源向負(fù)載供電；市電掉電時(shí)，斷開電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負(fù)載供電。（2）性能特點(diǎn) 當(dāng)市電正常時(shí)，效率高，可達(dá)98 以上。 當(dāng)市電正常時(shí)，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載電流，UPS 本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真。 當(dāng)市電正常時(shí)，輸出能力強(qiáng)，對負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌電流

4、系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過載等都沒有嚴(yán)格的限制。 當(dāng)市電正常時(shí)，輸出電壓精度和穩(wěn)定度差，但能滿足一般負(fù)載的供電要求。 市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般可做到4-10ms 左右。 當(dāng)市電正常時(shí)，整機(jī)要靠附加濾波電路提高UPS 雙向抗干擾功能。 電路簡單、成本低、可靠性高。 輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間的限制，UPS 輸出功率做大有一定困難，一般多在2kVA 以下。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 傳統(tǒng)雙變換在線式 目前，大功率UPS 仍多采用傳統(tǒng)雙變換在線式電路結(jié)構(gòu)，它屬于串聯(lián)功率調(diào)整傳輸方式。圖是傳統(tǒng)雙變換在線式UPS 的電路結(jié)構(gòu)框圖。它是在線式UPS 的最初形式，因此稱之為傳統(tǒng)在線式。它

5、的基本設(shè)計(jì)思想是，市電存在時(shí)，將市電交流電通過整流濾波電路變換為直流電，然后再將直流電通過DC /AC 逆變器變換成純凈穩(wěn)定的正弦波電壓向負(fù)載供電。后備電池接在直流母線上，市電掉電后，由電池逆變后給負(fù)載繼續(xù)供電。下面，具體介紹其功能和特點(diǎn)。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 傳統(tǒng)雙變換在線式UPS的電路結(jié)構(gòu)圖 第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) （1） 功能部件 整流器：當(dāng)市電存在時(shí)，實(shí)現(xiàn)AC/DC 的轉(zhuǎn)換功能，一方面向DC / AC 逆變器提供能量，同時(shí)還向蓄電池充電。由于整流電路把市電輸入電流變成脈沖波，輸入電流諧波成分大，造成輸入功率因數(shù)低，因此需要附加奇次諧波濾波器。在三相電路中，可增加一

6、個(gè)輸入隔離變壓器，變壓器的次級有兩個(gè)匝數(shù)相同的繞組，一個(gè)采用三角形接法，另一個(gè)采用星型接法，將這兩組分別整流，再配以相應(yīng)的濾波器，就構(gòu)成了12 脈沖整流。為了進(jìn)一步提高輸入功率因數(shù)，減小對電網(wǎng)的污染，當(dāng)前在中小功率的傳統(tǒng)雙變換UPS 中，開始使用高頻整流（PFC）電路，可將輸入功率因數(shù)提高到。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) 逆變器：完成DC/AC 的轉(zhuǎn)換功能，向輸出端提供高質(zhì)量電源，無論由市電供電或轉(zhuǎn)由電池供電，逆變器都在線工作。在市電逆變和電池逆變這兩種工作狀態(tài)相互轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出電壓切換時(shí)間為零。在小功率單相雙變換UPS 中，由于電池電壓低，逆變器輸出需要采用隔離變壓器，把電壓提升到負(fù)載所需

7、要的額定電壓220V 。在三相大功率UPS 中，輸出DC/AC 逆變器多采用全橋電路，除了提升電壓的要求外，還因?yàn)槿珮螂娐窙]有零電位輸出，所以必須在逆變器輸出端加隔離變壓器，變壓器初級為三角形接法，分別接在全橋電路的3 個(gè)橋臂的中點(diǎn)，次級則用星型接法，形成三相四線制電源供給負(fù)載。 靜態(tài)旁路開關(guān)：由正反極性并接的可控硅構(gòu)成，當(dāng)逆變器過載或發(fā)生故障時(shí)，逆變器切斷輸出，靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)轉(zhuǎn)換接通，由市電直接向負(fù)載供電。靜態(tài)開關(guān)為智能型大功率無觸點(diǎn)開關(guān)，轉(zhuǎn)換時(shí)間在2-3ms 。第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) （2）性能特點(diǎn) 不管有無市電，負(fù)載的全部功率都由DC / AC 逆變器提供；保證高質(zhì)量的電源輸出。

8、市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間，具備典型的在線式UPS 功能。 由于負(fù)載功率100 都由逆變器負(fù)擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載電流峰值因數(shù)、過載能力和輸出功率因數(shù)等。 輸入可控整流器使UPS 輸入功率因數(shù)低，一般為0.7-0.8 ，無功損耗大，輸入電流諧波成分大于等于30%，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的污染。當(dāng)然，若使用高頻整流技術(shù)（功率因數(shù)校正技術(shù)），可把輸入功率因數(shù)提高到接近1 ，輸入諧波電流也將降到5 以下；若在三相UPS 中用12 脈沖整流只能將輸入功率因數(shù)做到，電流諧波成分降至10 左右，且成本高。 市電正常時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)變換器都承擔(dān)100 的負(fù)載功率

9、，所以UPS 整機(jī)效率低。 第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) （2）性能特點(diǎn) 不管有無市電，負(fù)載的全部功率都由DC / AC 逆變器提供；保證高質(zhì)量的電源輸出。市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間，具備典型的在線式UPS 功能。 由于負(fù)載功率100 都由逆變器負(fù)擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載電流峰值因數(shù)、過載能力和輸出功率因數(shù)等。 輸入可控整流器使UPS 輸入功率因數(shù)低，一般為0.7-0.8 ，無功損耗大，輸入電流諧波成分大于等于30%，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的污染。當(dāng)然，若使用高頻整流技術(shù)（功率因數(shù)校正技術(shù)），可把輸入功率因數(shù)提高到接近1 ，輸入諧波電流也將降到

10、5 以下；若在三相UPS 中用12 脈沖整流只能將輸入功率因數(shù)做到，電流諧波成分降至10 左右，且成本高。 市電正常時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)變換器都承擔(dān)100 的負(fù)載功率，所以UPS 整機(jī)效率低。 第二節(jié) 常用UPS結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn) （2）性能特點(diǎn) 不管有無市電，負(fù)載的全部功率都由DC / AC 逆變器提供；保證高質(zhì)量的電源輸出。市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒有轉(zhuǎn)換時(shí)間，具備典型的在線式UPS 功能。 由于負(fù)載功率100 都由逆變器負(fù)擔(dān)，因而UPS的輸出能力不理想，對負(fù)載提出限制條件，如負(fù)載電流峰值因數(shù)、過載能力和輸出功率因數(shù)等。 輸入可控整流器使UPS 輸入功率因數(shù)低，一般為0.7-0.8 ，無功

11、損耗大，輸入電流諧波成分大于等于30%，對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的污染。當(dāng)然，若使用高頻整流技術(shù)（功率因數(shù)校正技術(shù)），可把輸入功率因數(shù)提高到接近1 ，輸入諧波電流也將降到5 以下；若在三相UPS 中用12 脈沖整流只能將輸入功率因數(shù)做到，電流諧波成分降至10 左右，且成本高。 市電正常時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)變換器都承擔(dān)100 的負(fù)載功率，所以UPS 整機(jī)效率低。 第三節(jié) UPS電源系統(tǒng)的組成 UPS電源主要由7部分組成，即輸入整流濾波電路、功率因數(shù)校正電路、蓄電池組、充電電路、逆變器電路、靜態(tài)開關(guān)電路、控制監(jiān)測顯示及保護(hù)電路。 1輸入整流濾波電路 UPS電源內(nèi)部蓄電池、逆變器及控制電路均需要直流電，這就要求UP

12、S電源內(nèi)部必須有整流及濾波電路。整流電路的主要功能是： （1）將交流電變換為直流電； （2）具有輸出電壓保持能力； （3）抑制電網(wǎng)的干擾信號。 整流電路主要有單相半波、單相全波和單相橋式整流，三相半波、三相橋式（全波）整流及6脈沖整流，6相全波整流及12脈沖整流等。濾波電路由一級或多級濾波電路構(gòu)成，其基本形式是在整流輸出端加濾波電容或電感扼流線圈。在UPS電源中常采用電容、電感組成的LC 濾波器。第三節(jié) UPS電源系統(tǒng)的組成 UPS電源主要由7部分組成，即輸入整流濾波電路、功率因數(shù)校正電路、蓄電池組、充電電路、逆變器電路、靜態(tài)開關(guān)電路、控制監(jiān)測顯示及保護(hù)電路。 1輸入整流濾波電路 UPS電源內(nèi)

13、部蓄電池、逆變器及控制電路均需要直流電，這就要求UPS電源內(nèi)部必須有整流及濾波電路。整流電路的主要功能是： （1）將交流電變換為直流電； （2）具有輸出電壓保持能力； （3）抑制電網(wǎng)的干擾信號。 整流電路主要有單相半波、單相全波和單相橋式整流，三相半波、三相橋式（全波）整流及6脈沖整流，6相全波整流及12脈沖整流等。濾波電路由一級或多級濾波電路構(gòu)成，其基本形式是在整流輸出端加濾波電容或電感扼流線圈。在UPS電源中常采用電容、電感組成的LC 濾波器。第三節(jié) UPS電源系統(tǒng)的組成 2功率因數(shù)校正電路在UPS電源中，交流輸入市電經(jīng)整流器整流后變換為脈動(dòng)直流，然后采用大容量的電容器進(jìn)行濾波，在電容器充

14、電期間勢必會(huì)形成尖峰脈沖，引起電流波形畸變，從而導(dǎo)致功率因數(shù)下降，并產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成干擾。功率因數(shù)校正電路的作用就是提高功率因數(shù)，降低諧波干擾，使輸入電流成為與輸入電壓接近同相位的正弦波。3蓄電池組蓄電池組是UPS的心臟，沒有蓄電池組的UPS電源只能稱作交流穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源。當(dāng)市電正常時(shí)，蓄電池由整流器（獨(dú)立充電器）對其充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而儲存起來；當(dāng)市電供應(yīng)中斷時(shí)，UPS電源由蓄電池向逆變器供電，此時(shí)蓄電池通過放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，保證UPS電源輸出的不中斷。目前UPS電源中廣泛使用的是閥控密封式鉛酸蓄電池。4充電電路UPS中的充電器將蓄電池放電后損失的能量重新補(bǔ)充，在充電過程中

15、，充電器的控制電路檢測整個(gè)充電過程，一般在充電階段是恒流充電過程，隨著電池電壓的上升，當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到浮充電壓以后，充電器工作在恒壓階段，直到電池充滿為止。因此，充電電路的反饋回路一般有兩個(gè)，一個(gè)作為電流反饋，另一個(gè)是電壓反饋。主電路一般采用開關(guān)型電路，其類型一般有兩種：降壓電路和升壓電路。第三節(jié) UPS電源系統(tǒng)的組成 5逆變電路 UPS逆變器的功能是將由市電整流所得的直流電壓或蓄電池電壓變換成交流電壓。在后備式UPS中其逆變器輸出波形一般為準(zhǔn)方波，而在在線式UPS中其逆變器輸出多為正弦脈寬調(diào)制波（PWM），該波形經(jīng)LC低通濾波器濾波得到標(biāo)準(zhǔn)正弦波。 在線式UPS多采用橋式逆變器，根據(jù)要求的

16、不同又分半橋逆變器和全橋逆變器。 6靜態(tài)開關(guān)電路 靜態(tài)開關(guān)是UPS的保護(hù)設(shè)備和供電轉(zhuǎn)換器件，它一方面保護(hù)UPS和負(fù)載，另一方面作為市電旁路供電和逆變器供電的轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)UPS輸出過載時(shí)，為了保護(hù)逆變器，通過靜態(tài)開關(guān)將輸出由逆變器切換到市電；當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，為了保證負(fù)載不斷電，通過靜態(tài)開關(guān)將輸出切換到市電。小型UPS一般采用快速繼電器作為靜態(tài)開關(guān)，大中型UPS 則采用一對反向并聯(lián)的快速可控硅作為靜態(tài)開關(guān)。第三節(jié) UPS電源系統(tǒng)的組成 7控制、監(jiān)測、顯示及保護(hù)電路 控制是UPS電源的神經(jīng)中樞，其輸出電壓精度高低、波形失真度大小以及可靠性的高低均與控制電路密切相關(guān)。控制電路主要有PWM 產(chǎn)生電路、閉環(huán)調(diào)壓電路、同步鎖相電路等。為了使UPS 電源可靠工作，它應(yīng)具有較為完善的保護(hù)電路，一般的UPS 電源都具有電池電壓過低自動(dòng)保護(hù)電路、逆變器輸出過載或短路自動(dòng)保護(hù)電路、逆變器過壓輸出自動(dòng)保護(hù)電路、市電輸入電壓過高自動(dòng)保護(hù)電路和UPS電源延遲啟動(dòng)自動(dòng)保護(hù)電路等保護(hù)電路。為了隨時(shí)掌握和了解UPS工作狀態(tài)和運(yùn)行情況，UPS電源一般還設(shè)有監(jiān)測電路、顯示電路及告警電路。UPS電池19通信用通信用UPS用用設(shè)計(jì)取向設(shè)計(jì)取向長時(shí)間、小電流、深放電長時(shí)間