不间断电源UPS技术基础总结

不间断电源主要内容一、不间断电源的概念二、不间断电源的构造与组成三、不间断电源的使用与维护一、不间断电源的概念（一）UPS的定义所谓不间断电源就是当交流电网（市电）输入发生异常或中断时，它可以继续向负载供电，并能够保证供电质量，使负载供电不受影响。这种供电装置称为不间断电源装置，或者称为不间断供电系统，简称UPS（UninterruptiblePowerSystem）。早期的不间断电源装置是采用柴油(或汽油)发电机－电动机－发电机组来实现电能变换的。后来随着可控硅(晶闸管)制造工艺的完善、质量的提高和价格的降低，便开始出现了用可控硅作为功率变换主要元件的可控硅不间断电源装置。80年代，利用具有可控关断能力的巨型功率晶体管来替代可控硅而制成不间断电源，这样既省去了换向电路、减小了体积、提高了效率、改善了动态性能，也提高了可靠性。近年来，新型的全控型功率半导体器件具有开关速度快、控制和驱动方便等一系列优点。（二）发展历史（三）UPS的功能1、双路电源之间的无间断切换市电和逆变器输出可通过UPS实现无间断切换。2、隔离干扰功能在UPS中，交流输入电压经整流后，加入逆变器，逆变器对负载供电，这样可将电网电压瞬时间断、谐波、电压波动、频率波动以及噪声等电网干扰与负载隔离：既可以使负载不干扰电网，又使电网中的干扰不影响负载。逆变器市电UPS输出交流输出交流输入负载整流器直流逆变器3、电压变换功能通过UPS，可以将输入电压变换成需要的电压。4、频率变换功能通过UPS，可以将输入电压的频率变换成需要的频率。5、后备功能UPS中的蓄电池，贮存一定的能量，在市电中断时可通过逆变器向负载供电。电压变换输出输入380V220V380V（稳压作用）400V415V220V220V（稳压作用）230V240V电压变换输出输入50Hz50Hz（稳频作用）60Hz400Hz频率变换输出输入60Hz50Hz60Hz（稳频作用）400Hz频率变换输出输入交流输出交流输入整流器逆变器蓄电池负载（四）UPS的分类结构1、动态UPS换流器DC电动机AC发电机负载电池组市电电动机发电机负载飞轮市电2、静止式UPS静止式（静态）UPS与动态（旋转式）UPS相比较而言，没有电动机、发电机和飞轮之类旋转体，它通过由功率半导体器件组成的电能变换主电路对电能实现变换。现在人们概念中的UPS均是静止式UPS。对静止型的UPS而言，人们习惯上按其工作方式进行分类，一类为在线式，一类为后备式。但无论是后备式还是在线式UPS，其基本结构大体相同，只是在工作方式上和为负载供电的质量上有一定的差异。（1）在线式UPS在线式UPS由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成，原理框图如图所示。在线式UPS的输出电压波形通常为标准正弦波。整流滤波逆变器输出变压器及滤波器充电电路蓄电池组静态开关控制、监测、显示、告警及保护电路UPS输出市电输入（2）后备式UPS后备式UPS原理框图如图所示，从结构上看，后备式UPS与在线式UPS的差别是：没有输入整流滤波器，逆变器只由蓄电池供电，市电正常时，逆变器不工作。输出没有滤波器，输出电压波形一般为方波。市电正常时输出变压器起交流稳压的作用。逆变器输出变压器充电电路蓄电池组转换开关控制、监测、显示、告警及保护电路UPS输出市电输入（3）在线式UPS和后备式UPS的比较后备式UPS和在线式UPS虽然其基本结构大致一样，但在市电正常供电时，在线式UPS的输出较后备式UPS的输出交流电质量好，这主要是说在线式UPS的输出是稳压、稳频的，而后备式UPS最多对输出采取粗稳压而没有稳频等其他处理功能。不但如此，在市电供电异常、蓄电池组开始向逆变器提供能量时，在线式UPS没有转换时间，后备式UPS是有一定的转换时间的。因此从工作方式和供电质量上看，市电供电时和市电供电转为蓄电池组提供电能的转换过程，在线式UPS的性能优于后备式。有的后备式UPS的生产厂家加了电网滤波装置，有的在输出变压器上增加了一些抽头，以实现对输出的简单稳压，使其产品的性能有所改善，但终究和在线式还有一定差距。但后备式UPS的造价低于在线式UPS，因此小容量的后备式UPS也得到了广泛的应用。（4）三端口式UPS在线式UPS要经过直流变交流和交流变直流的两次电能变换，因而整机效率变低了，可靠性也因变换环节多而下降，三端口式结构UPS则力求通过改变经典式UPS的结构来改善上述不足。三端口式UPS与在线式UPS相比较，具有整机效率高、可靠性高、抗电磁干扰能力强等一系列优点，但也存在体积大、重量重、有可闻噪声、小容量产品价格偏高等一些缺点。旁路稳压器双向变换器转换开关蓄电池组市电三绕组变压器ⅠⅡⅢ（五）UPS的主要电气技术指标1、输入电压允许范围：UPS电源生产商根据市电电网的一般变化范围和内部整流电路型式而确定的。若供电电压较稳定且又接近额定值的使用场合可选用输入电压允许范围较窄的UPS，这样有利于提高运行的可靠性；若市电电压不稳定，可将输入电压范围适当放宽，可避免在运行中出现市电供电与逆变器供电的频繁切换。2、输入功率因数：定义为输入有功功率与视在功率之比。UPS的功率因数低，则与UPS相连接的导线、熔断器、备用发电机组等电力设施的容量都要加大。目前，采用有源功率因数校正的UPS功率因数可达到0.99以上。3、输入电流谐波成分：定义为3~39次奇次电流谐波的有效值之和与基波电流有效值之比。在选用三相大功率UPS时要注意此项指标的优劣。输入电流谐波较大，会对电网造成谐波污染，干扰其它用电设备的正常运行。4、频率跟踪范围：当交流供电时，UPS的输出频率跟随输入交流频率变化的范围。若UPS只在市电下运行，因市电的频率比较稳定，所以这项指标要求不必过高。若市电异常时，由油机为UPS供电，则UPS的频率跟踪范围可适当放宽到4%。5、频率跟踪速率：UPS输出频率跟随交流输入频率变化的快慢，有Hz/S表示。频率跟踪速率快的UPS由逆变切换到旁路时负载断电的可能性会小得多。6、输出电压稳压精度：指在UPS输入电压下限值测量额定负载时的输出电压，在输入电压上限时测量其空载电压。二者与额定输出电压的差值再与额定电压之比。选择UPS时，此项指标应根据负载的输入电压适应范围而定。7、输出电压波形失真度：输出电压谐波总体有效值与输出电压有效值之比。一般用失真度仪或电力谐波分析仪直接测得。8、逆变、旁路切换时间：当逆变器故障或负载出现过载时，UPS将负载切换到旁路由市电供电所用的时间。9、转换效率：指在额定输入电压、输出额定负载时，输出的有功功率与输入有功功率（不含电池充电功率）之比。10、输出功率因数：用来衡量UPS对感性、容性等非线性负载的驱动能力。11、输出电流峰值系数：定义为整流非线性电路脉冲电流的峰值与其基波电流的有效值之比。衡量UPS对整流非线性负载的驱动能力。12、过载能力：过载能力主要取决于整流器与逆变器的功率设计余量。衡量的标准是在一定的过载容量下连续运行且不转旁路的最长时间。13、并机输出电流不均衡度：14、输出电压不平衡度：考核三相UPS电源在其三相负载不平衡状态下，三相输出电压的不平衡度。此项指标规定在100%不平衡负载下测量。15、UPS电源的保护功能：包括输出短路保护、输出过载保护、过温保护、电池欠压保护、输出过欠压保护、抗雷击浪涌能力等。二、不间断电源的构造与组成（一）正弦脉宽调制电路习惯上人们称对逆变器主电路实施控制的电路为逆变控制电路，而将控制电路对主电路实施的控制方式叫逆变控制方式。逆变控制方式有多种，但在UPS中所使用的主要有三种。即波形叠加法，脉冲宽度调制（PWM）法、PWM加波形叠加混和法，但用得最广泛的是PWM法中的正弦脉宽调制（SPWM）法。1、单脉冲PWM所谓单脉冲PWM法，就是用一个矩形波脉冲去等效交流电的半周，再用同样的矩形波脉冲等效交流电的另一个半周，通过调整矩形波的脉宽来稳定输出电压，通过调整矩形波的中心距离来调整和稳定输出频率。2、多脉冲PWM多脉冲PWM法就是用多个等宽度矩形脉冲去等效交流的正半周，再用同样多个等宽矩形波脉冲去等效交流电的负半周，通过矩形波的调整去调整和稳定输出电压，而通过调整矩形脉冲的中心距离来调整和稳定输出频率。用多脉冲PWM法比较单脉冲PWM法输出所含谐波更容易滤出，但每周期内开关器件通断次数过多会造成控制复杂和过多的能量损耗。3、SPWMPWM法是在周期不变的条件下，通过改变脉冲波形的宽度来抑制谐波和调节输出电压的大小。而SPWM法就是在PWM法基础上，使每一个输出电压脉冲在一个特定时间间隔内，能量等效于正弦波在该时间内包含的能量。N=12时的SPWM波用模拟电路产生SPWM波用单片计算机产生SPWM波随着微型计算机和微型处理器的发展和应用，原UPS中许多由硬件实现的部分，现在都可以用单片计算机来实现。根据正半周SPWM波关于限π/2对称的特点，可以只列出四分之一周期的脉冲宽度，其他四分之三周期则通过变换查表方法而从列出的表中获得，这可节省大量的内存空间。二、单相全桥式逆变器单相正弦波逆变器电路如图所示。功率开关管VT1~VT4构成全桥电路的两个桥臂，输出电感L与电容C组成高频滤波器。全桥逆变器的直流供电来自前级DC/DC高频变换器。EVT1VT2VT4VT3D1D2D3D4CC0LI01I02AC输出三、三相逆变器三相逆变器电路原理如图（a）所示。从原理图中可以看出其三相输出的任意一相与中性线N的工作方式与半桥式变换电路基本相同。输出三相电压之间的相位差是通过三相逆变器每个桥臂上功率开关管导通的时间差来决定的。其三相输出电压波形如图（b）所示。E1VT1VT3VT2VT4D1D3D4D2VT5VT6E2D5D6L0L0L0CCCL1L2L3N（a）三相逆变器原理电路（b）三相输出电压波形与相位（c）半桥单相逆变器工作原理四、不间断电源系统UPS通常包括几部分：输入整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池组、逆变电路、控制电路、静态开关电路、充电电路、监测显示及保护电路等。1、输入整流滤波电路UPS中，常用的整流电路有单相不可控和可控整流电路、三相不可控和可控整流电路。滤波器可分为电容输入或电感输入两种。电容输入滤波器输出电压较高，但要求变压器输出的峰值电流较大，且负载调整率较差。电感输入滤波器输出特性较好，但需要较大的扼流圈且成本较高。目前UPS中通常采用电容和电感组成的LC滤波器。2、功率因数校正电路UPS中，交流市电经整流后都采用大电容进行滤波而且整流电路输出端还可能并联有蓄电池。在电容器或蓄电池充电期间将形成脉冲电流。该电流将产生高次谐波电流并导致功能因数下降。功率因数校正电路可使电网输入电流变为下输入电压同相位的正弦波。3、蓄电池组蓄电池组是UPS的心脏。市电正常时，蓄电池充电，将电能转化为化学能并贮存起来。市电中断时，UPS蓄电池中的电量维持逆变器工作。目前中小型UPS中广泛使用阀控铅蓄电池。长延时（4h或8h）UPS中，蓄电池的成本甚至超过主机的成本，正确使用维炉蓄电池组，对延长蓄电池使用寿命关系极大，使用正确，阀控铅蓄电池的寿命可达10年以上。4、控制电路UPS输出电压的精度、波形失真度以及工作可靠性均与控制电路密切相关。控制电路主要有SPWM（PWM）产生电路、闭环调压电路、同步锁相电路等。5、充电电路UPS中，一般充电电路都是独立工作的，也就是说，即使不用逆变器，只要将交流电源接通，充电电路就开始工作。充电过程中，首先采用恒流充电，当蓄电池的电压达到浮充电压后，即转为恒压充电，直到电池被充足，因此，充电电路一般有两个反馈同路，一个作电流反馈，另一个作电压反馈。主电路一般采用开关型整流电路，为了缩短充电时间，各种快速充电电路在UPS中也得到了应用。6、逆变电路逆变器的作用是将市电整流后的直流电或蓄电池电压变换成交流电压。在后备式UPS中，逆变器输出电压波形一般为准方波，在在