第四章UPS技术概要

1、UPSUPS技术概要技术概要第四章引言在今后相当长的一段时间内,我国市电电网供电不足,电压波动大,干扰严重的局面仍将存在我国各行业，各领域的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求,尤其是实时性很强的重要系统，重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求与我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。间断电源越来越成为人们关注的焦点。1. UPS发展概况1.1 UPS1.1 UPS的产生的产生随着科学技术的高速发展以及计算机、精密仪器、仪表设备及数据处理设备、自动化生产设备的广泛应用，用电设备对供电质量的要求越来越高。用电设备不仅要求供电电源能够不间断供电，而且还要求其输出电压波形、频率准确完好，不能受到电网的

2、任何干扰，要有一个干净的电源环境。然而由于公共电网自身的原因，以及雷击等一些自然现象的影响，公共电网不能满足用户对高精度高可靠性电源的要求。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（1）电涌（power surges）指输出电压有效值高于额定值110，并且持续时间为一个至数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压冲击。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（2）高压尖脉冲（high voltage spikes）指峰值达6000V，持续时间从0.1ms至10ms的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大

3、型电气设备的开关操作而产生。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（3）暂态过电压（switching transients）指峰值电压高达20000V，但持续时间介于1s至100s的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（4）电压下陷（power sags）指市电电压有效值介于额定值的80至85之间的低压状态，并且持续时间为一个至数个周期。大型设备开机，大型电动机起动，或大型电力变压器接入都可能造成这种情况。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方

4、面：（5）电线噪声（electrical line noise）系指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）以及其它各种高频干扰。电动机的运行、继电器的动作、电动机控制器的工作。广播发射，微波辐射以及电气风暴等，都会引起电线噪声干扰。1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（6）频率偏移（frequency ariation）系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。 1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（7）持续低电压（brownout）指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因

5、包括：大型设备起动及应用。主电力线切换，起动大型电动机、线路过载等。 1.1 UPS的产生电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：（8）市电中断（power fail）指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况，其产生原因有：线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障等。 1.1 UPS的产生由于以上问题存在，使得负荷与电网供电质量之间的矛盾日益加深。为解决这一矛盾，产生了不间断电源(Uninterruptible Power Supply简称UPS)这种新型设备。1.2 UPS的概念UPSUPS是什么？是什么？ UPS( Uninterruptible Power Supply ) UP

6、S( Uninterruptible Power Supply )，即不间断电源，是一种含有，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。 主要用于给单台计算机、计算机网络或其它重要设备提供不间断、高质量的电力供应以及作为机场、电站、医院等重要部门的备用电源。顾名思义，UPS可以给用电设备提供连续不间断的电能，保证电能供应的可靠性。 当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电. 当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池的

7、电能,通过逆变转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。供电中断只是电网故障之一，电网中存在的各种污染和干扰也是造成用电器件损坏的主要因素。因此，UPS还必须能够消除电网干扰，给用电设备提供高质量的电能。换句话说，高可靠性和高质量是对UPS最基本的要求。1.3 UPS的应用UPSUPS作为一种稳压稳频纯净化的电源现已成为供电系作为一种稳压稳频纯净化的电源现已成为供电系统的核心部分统的核心部分, ,受到了广泛的认可受到了广泛的认可. .在供电质量较佳在供电质量较佳的欧美和日本的欧美和日本, ,已经将已经将UPSUPS作为标准设备作为标准设备. .国内电网供国内电网供

8、电质量较差电质量较差,UPS,UPS应用更是必不可少应用更是必不可少. .UPSUPS的典型应用有的典型应用有: :金融系统，制造业，铁路交通系金融系统，制造业，铁路交通系统，航空系统，石油统，航空系统，石油/ /化工，煤矿开采，情报，邮电，化工，煤矿开采，情报，邮电，水利，电力中心，医疗卫生，学校，研究所，商业水利，电力中心，医疗卫生，学校，研究所，商业楼宇，政府机关，军事设备等楼宇，政府机关，军事设备等. . 1.3 UPS的应用行空航天行空航天交通交通科研、医疗科研、医疗 计算机网络计算机网络企业生产企业生产通信、机场通信、机场军事部门军事部门UPS1.4 UPS的主要功能UPSUPS的

9、主要功能可以归纳为以下的主要功能可以归纳为以下4 4个方面：个方面：隔离功能如图所示。大多数UPS都是将电网输入交流电压经过整流后变为直流电，一部分能量用于对蓄电池充电，剩余能量经过逆变器重新变为稳压稳频的交流电供应给负载。也就是说，电网通过UPS 给负载供电采用了交一直一交变换形式。由于经过整流和大电容滤波，电网中原来存在的瞬间间断、谐波、噪声、电压波动以及频率波动等干扰全部得到消除，供电质量完全取决于逆变器的电能变换能力。这样，UPS作为一个中间环节将电网与负载隔离开，既防止了电网干扰对负载的影响，又可使负载刘电网不产生干扰。(1)(1)隔离功能隔离功能1.4 UPS的主要功能(2)(2)

10、后备功能后备功能后备功能如图所示。UPS带有蓄电池，能够贮存一定的能量。市电正常时，UPS除了从电网吸收能量变换处理后供给负载外，同时对蓄电池进行充电，将部分能量存储在蓄电池中。电网供电中断时，可以将蓄电池中存储的能量经过能量变换继续维持对负载供电一段时间起到后备电源的作用。根据装置中蓄电池和充电器的容量大小，后备时间可以是几分钟、几小时甚至更长。1.4 UPS的主要功能(3)(3)频率变换功能频率变换功能：频率变换功能可以将输入电压的频率变换成负载所需的频率。目前我国电网的频率是50Hz，而某些进口设备要求输入电压的频率为60Hz，军用设备输入电压的频率多为400Hz。要使这些设备正常工作，

11、只需给该设备配备一套输出频率与其输入频率匹配的UPS即可。(4)(4)电压变换功能电压变换功能电压变换功能可以将一种电压等级的电能变换为另一种电压等级的电能。1.5 UPS发展历史20世纪60年代以前采用机械旋转型。机械旋转型。最早的UPS采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮带有一个大飞轮的电动机的电动机发电机组发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，平时由市电经过整流器给直流电动机供电，带动交流发电机向负载供电，当市电停电时利用飞轮的惯性使发电机继续供电,可以维持正常供电数秒钟。这种方式稳定可靠、技术简单、便于维修，但是设备庞大笨重、效率低、噪声大，现已基本淘汰。机械旋转型机械旋

12、转型UPSUPS1.5 UPS发展历史7070年代年代，逆变技术逆变技术和和晶闸管晶闸管在中广在中广泛应用。泛应用。大功率半导体技术迅速发展，晶大功率半导体技术迅速发展，晶闸管的出现，使闸管的出现，使UPSUPS技术产生第一次飞跃，技术产生第一次飞跃，逆变技术不断完善，使其得到广泛应用，逆变技术不断完善，使其得到广泛应用，但是普通晶闸管不具备自关断特性，又缺但是普通晶闸管不具备自关断特性，又缺乏抗千扰能力，影响乏抗千扰能力，影响UPSUPS工作的可靠性。工作的可靠性。1.5 UPS发展历史近十多年来，大功率晶体管大功率晶体管(GTR, VMOS(GTR, VMOS和和IGBTIGBT等等) )

13、的出现，部分地取代了晶闸管，各种ICIC控制芯片控制芯片的研制成功，微计算机微计算机的应用，并联及冗余技术并联及冗余技术的发展，使UPS性能又产生一次飞跃。现代的逆变式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲：它走过了从方波到正弦波方波到正弦波、从离从离线式到在线式线式到在线式、从小功率到大功率从小功率到大功率、 从常规延时（分钟从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化从简单不停电供电到智能化操作和处理功能操作和处理功能的发展历程。1.5 UPS发展历史控制电路的发展随着蓄电池和半导体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的分立元

14、件的简单控制分立元件的简单控制发展到今天发展到今天的的微处理机控制微处理机控制，由硬件控制硬件控制又发展成又发展成软件控制软件控制，如软件滤波器；光纤通讯也被引入光纤通讯也被引入UPSUPS，而且，微处理机也已被广泛应用于小容量的UPS中，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。1.5 UPS发展历史UPS的智能化发展随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的UPS不再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心，UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多种新技术，UPS不仅是提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备。在

15、无人值守时，当市电故障后，UPS可以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的UPS与服务器上的软件协同工作，还能实现事件记录、故障告警、UPS参数自动测试分析、调节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。有些UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。1.5 UPS发展历史UPS的智能化还表现在加强UPS的节能功能即所谓“绿色UPS”上。“绿色UPS”可以减少PC系统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时，UPS可以马上给打印机恢复供电，随着“绿色UPS”的出现，

16、为节约能源又提供了理想的解决方案。 1.5 UPS发展历史保护功能的变化保护功能的变化UPS在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，下图显示了这个变化过程。19931993年以前着重追求对硬件的保护，年以前着重追求对硬件的保护，19931993年开始，更多的年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。1.6国内外UPS研究状况由于由于UPSUPS技术是一项实用技术技术是一项实用技术, ,国内外各大电源公司国内外各大电源公司, ,生产生产厂家以及科研院所都在对其进行

17、研究厂家以及科研院所都在对其进行研究. .国外已经将许多先进技术应用到实际系统中国外已经将许多先进技术应用到实际系统中, ,生产出了许生产出了许多知名品牌的多知名品牌的UPS.UPS.国内对国内对UPSUPS先进的关键技术的研究先进的关键技术的研究, ,主要集中在少数知名院主要集中在少数知名院校校, ,且大多数处在实验阶段且大多数处在实验阶段, ,没能将它们应用到实际系统中没能将它们应用到实际系统中去去. .从目前国内市场上看从目前国内市场上看, ,国内生产厂商基本不能生产大型国内生产厂商基本不能生产大型UPS,UPS,国内的大型国内的大型UPSUPS市场几乎全部被国外公司占领市场几乎全部被国

18、外公司占领. .对于中小型对于中小型UPSUPS来说来说, ,虽然国内许多生产厂家可以生产虽然国内许多生产厂家可以生产, ,但其产品的可但其产品的可靠性和性能远远不如国外的同类产品靠性和性能远远不如国外的同类产品, ,整个中小型整个中小型UPSUPS市场市场90%90%以上都被国外公司占领以上都被国外公司占领. . 2 UPS的分类按功率大小可以分为：按功率大小可以分为：小功率（小功率（10KVA10KVA以下）、中功率（以下）、中功率（1010100KVA100KVA）、大）、大功率（功率（100KVA100KVA以上）。以上）。按输出波形可以分为：按输出波形可以分为：方波，梯形波，正弦波方

19、波，梯形波，正弦波。按输入输出方式可以分为：按输入输出方式可以分为：单相入单相出，三相入单相出，三相入三相出。单相入单相出，三相入单相出，三相入三相出。按工作原理还可以分为：按工作原理还可以分为：动态动态UPS，静态，静态UPS。2 UPS的分类静态静态UPS:UPS: 以蓄电池组为储能工具以蓄电池组为储能工具, ,市电正常时交流市市电正常时交流市电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池电经整流后变为直流电并将电能存储在蓄电池组中组中, ,当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电. .动

20、态动态UPS:UPS: 是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电能供应的连续性的能供应的连续性的, ,这种不间断电源具有笨重，这种不间断电源具有笨重，噪声大，效率低，切换时间长等缺点噪声大，效率低，切换时间长等缺点, ,已被静已被静态不间断电源所取代态不间断电源所取代. .2 UPS的分类静态静态UPSUPS根据工作方式的不同又可分为：根据工作方式的不同又可分为： 后备式后备式(OFF-LINE)UPS.(OFF-LINE)UPS. 在线式在线式(ON-LINE)UPS.(ON-LINE)UPS. 在线互动式在线互动式(LINE(LINEINTERACTIVE)

21、UPS.INTERACTIVE)UPS. DeltaDelta变换型变换型UPSUPS . .3 UPS的原理3.13.1后备式后备式UPSUPS后备式UPS电源是一种价格低廉,仅能满足一般客户要求的普及型UPS电源.一般使用的是工频变压器来进行能量传递的,由于性能的限制,出于市场的考虑,容量一般只有0.5-2kVA左右. 后备式后备式UPSUPS电源框图电源框图 3 UPS的原理3.13.1后备式后备式UPSUPS后备式后备式UPSUPS电源框图电源框图 后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单,主要由滤波电路和多抽头变压器组成,滤波电路可对市电中的干扰起到一定的抑制作用,多抽头变压器

22、则可以起到电压调节的功能,使UPS电源的输出电压在市电发生低频波动时也能维持稳定,但电网在频繁出现高次谐波时,由于工作原理的限制,显然后备式UPS是无能为力的了.3.1后备式UPS从性能上看从性能上看, ,后备式后备式UPSUPS电源的稳压精度没有在线式的电源的稳压精度没有在线式的高高, ,但是可以满足一般的应用需要但是可以满足一般的应用需要. .后备式后备式UPSUPS切换期间的输出会出现瞬间掉电的现象切换期间的输出会出现瞬间掉电的现象. .不不过转换时间很短过转换时间很短, ,一般只有几一般只有几ms,ms,并不会影响到普通计并不会影响到普通计算机的正常工作算机的正常工作, ,但对于服务器

23、等高端设备来说但对于服务器等高端设备来说, ,后备后备式式UPSUPS的供电质量是远远不够的的供电质量是远远不够的. .出于成本考虑出于成本考虑, ,后备式后备式UPSUPS电源工作在逆变状态时输出电源工作在逆变状态时输出电压波形失真比较大电压波形失真比较大, ,廉价的系统电压输出波形多是方廉价的系统电压输出波形多是方波波, ,做得好的可以实现正弦波输出做得好的可以实现正弦波输出. .后备式后备式UPSUPS电源由于在市电供电时不使用变换器电源由于在市电供电时不使用变换器, ,因此因此具有很高的效率具有很高的效率, ,这一点是显而易见的这一点是显而易见的. . 3.1.1后备式UPS工作原理分

24、析（1）市电供电正常（市电电压处于 175264V 之间）时，后备式UPS工作状态如图所示：市电供电正常后备式市电供电正常后备式UPS工作状态工作状态3.1.1后备式UPS工作原理分析经充电器对位于 UPS 机内的蓄电池组充电，以备一旦市电供电中断时，有能量支持 UPS 的正常运行。经位于交流旁路供电通道上的稳压器对电压变化起伏较大的市电电源进行稳压处理。在常见的后备式 UPS 电源中，由于各厂家的设计方案不同，位于交流旁路上的稳压器的稳压精度在 220V（410 )左右。此时，在 UPS 逻辑控制电路的作用下，这种经过稳压处理的市电电源便经转换开关向负载供电（转换开关由小型快速继电器构成，其

25、转换时间为 24ms ）。此时，逆变器在逻辑控制电路的调控下，一直处于停机待命状态。 市电供电正常后备式市电供电正常后备式UPS工作状态工作状态3.1.1后备式UPS工作原理分析(2)当市电供电不正常（市电电压低于 175V ，或高于 264V ）时，如图所示。在 UPS 逻辑控制电路的调控下， UPS 中的各关键部件将按下述方式运行：市电供电不正常后备式市电供电不正常后备式UPS工作状态工作状态3.1.1后备式UPS工作原理分析市电供电不正常后备式市电供电不正常后备式UPS工作状态工作状态充电器停止工作。充电器停止工作。逆变器在由蓄电池组所提供的直流能源的支持下，向逆变器在由蓄电池组所提供的

26、直流能源的支持下，向外提供外提供50Hz50Hz有效值为有效值为220V220V的方波稳压电源。的方波稳压电源。转换开关在切断交流旁路供电通道同负载之间的连接转换开关在切断交流旁路供电通道同负载之间的连接的同时，将负载同逆变器电源的输出端连接起来，从的同时，将负载同逆变器电源的输出端连接起来，从而实现由方波逆变器电源向负载供电的转变。而实现由方波逆变器电源向负载供电的转变。3.1.1后备式UPS工作原理分析市电供电不正常后备式市电供电不正常后备式UPS工作状态工作状态由于逆变器电源向负载提供的是方波电源而不是正弦波电源，这就由于逆变器电源向负载提供的是方波电源而不是正弦波电源，这就要求负载只能

27、带电阻性或计算机、通信设备之类的开关电源型的负要求负载只能带电阻性或计算机、通信设备之类的开关电源型的负载，而不能带电感性负载。否则，会造成两种事故之一：载，而不能带电感性负载。否则，会造成两种事故之一：UPS UPS 逆变器电源被损坏逆变器电源被损坏. .用户负载设备被损坏。用户负载设备被损坏。这是由于电感性负载的出现，会导致出现在方波电源的脉冲波形的这是由于电感性负载的出现，会导致出现在方波电源的脉冲波形的上升边或下降边的尖峰干扰的峰值急剧增大的缘故。上升边或下降边的尖峰干扰的峰值急剧增大的缘故。3.1.2后备式UPS小结综上所述，对于后备式方波输出 UPS :当市电供电正常时，它向用户所

28、提供的电源为对市电电压稍加稳压处理过的“低质量”的正弦波电源。当市电供电不正常时，它向用户提供的是有效值为 220V 的方波稳压电源。在此条件下，由于要求逆变器立即从关机状态进人自动开机，并马上带载的状态，显然，这极易造成逆变器在执行市电供电逆变器的期间被损坏的概率增大和造成 UPS 的市电供电逆变器供电的切换时间增长。后备式优点：电路简单、成本低、可靠性高。后备式缺点：输出电压稳定精度差 ,市电掉电时负载供电有一段时间的中断，输出功率一般较小因其受切换电流和动作时间的限制 , 一般后备式正弦波输出容量在 2以下 ,后备式方波输出容量在 1以下.3.2 在线互动式UPS电源u在线互动式在线互动

29、式UPSUPS电源也称之为准在线式电源也称之为准在线式UPSUPS电源电源. .u通常情况下通常情况下, ,当市电供电在当市电供电在220V220V20%20%时时UPSUPS认为电网基本正常认为电网基本正常, ,这样这样, ,交流电可以通过工频变压器直接输送给负载交流电可以通过工频变压器直接输送给负载; ;u当市电超出上述范围当市电超出上述范围, ,但在但在150-276V150-276V之间时之间时,UPS,UPS可以通过逻辑控可以通过逻辑控制制, ,驱动继电器动作驱动继电器动作, ,使工频变压器抽头升压或降压使工频变压器抽头升压或降压, ,然后向负载然后向负载供电供电; ;u若市电低于若

30、市电低于150V150V或高于或高于276V,UPS276V,UPS将启动逆变器工作将启动逆变器工作, ,由电池逆变由电池逆变向负载供电向负载供电. .u在市电在在市电在150-276V150-276V之间时之间时, ,身兼充电器身兼充电器/ /逆变器的变换器同时还逆变器的变换器同时还给电池充电给电池充电, ,处于热备份状态处于热备份状态, ,一旦市电异常一旦市电异常, ,马上就转换为逆变马上就转换为逆变状态状态, ,为负载供电为负载供电. .在在线线互互动动式式UPSUPS框框图图3.2 在线互动式UPS电源因此在线互动式因此在线互动式UPSUPS与后备式与后备式UPSUPS的区别是变换器时

31、刻处于热的区别是变换器时刻处于热备份状态备份状态, ,市电市电/ /逆变切换时间比后备式要短逆变切换时间比后备式要短. .相对在线式相对在线式UPSUPS而言而言, ,它的电路实现简单它的电路实现简单, , 生产成本降低和可靠生产成本降低和可靠性提高性提高, ,另一方面在市电供电时不存在另一方面在市电供电时不存在AC/DC,DC/ACAC/DC,DC/AC的转换的转换, ,使整机效率有所提高使整机效率有所提高. .但是但是, ,在电网电压正常时在电网电压正常时, ,由于它是直接通由于它是直接通过工频变压器供电给负载过工频变压器供电给负载, ,所以负载使用的同样是充斥着谐波和所以负载使用的同样是

32、充斥着谐波和尖峰的交流电尖峰的交流电, ,不利于高端设备的使用不利于高端设备的使用, ,市电逆变切换时市电逆变切换时, ,仍存在仍存在切换时间切换时间. .在线互动式在线互动式UPSUPS原理图如图所示原理图如图所示. .在在线线互互动动式式UPSUPS原原理理图图3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电供电正常时（市电电压在150-276V之间），如图所示，市电电源经低通滤波器对从市电电网串入的射频干扰及传导型电磁干扰进行适当衰减抑制后，市电电源将分如下调控通道去控制UPS电源的正常运行。市电供电正常时的工作状态市电供电正常时的工作状态3.2.1在线互动式UPS工作原理分析 市电供电正常

33、时的工作状态市电供电正常时的工作状态当市电电源电压处在175264V之间时，在UPS电源的逻辑控制电路的作用下，将开关K0置于闭合状态的同时，还将位于UPS输出通道上的作为转换开关使用的小型继电器的常闭触点接通。这样，负载得到的是一个不稳压的市电电源。鉴于微机开关电源所允许的市电电压工作范围在150264V之间，所以，用户的微机是可以正常运行的。3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电电源的电压处在当市电电源的电压处在150150一一175V175V之间时，鉴于市电输人电压偏低之间时，鉴于市电输人电压偏低，在在 UPS UPS 电源的逻辑控制电路作用下，将开关电源的逻辑控制电路作用下，将开

34、关 K0K0置于开启状态的同置于开启状态的同时，把位于采用变压器抽头调压方式运行中的升压绕组输入端的开时，把位于采用变压器抽头调压方式运行中的升压绕组输入端的开关关 KlKl 置于闭合状态。这样，输入幅值偏低的市电电源经升压处理置于闭合状态。这样，输入幅值偏低的市电电源经升压处理后（一般从升压绕组所输出的电压是市电输人电压的后（一般从升压绕组所输出的电压是市电输人电压的1.15倍）倍），负载得到一个幅度较高（负载得到一个幅度较高（172172一一195V195V）的市电电源）的市电电源市电供电偏低时的工作状态市电供电偏低时的工作状态3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市

35、电电源的电压处在当市电电源的电压处在264264276V276V之间时，为防止出现由于将较高的市电电之间时，为防止出现由于将较高的市电电压直接送往负载而损坏用户负载的事故发生，在压直接送往负载而损坏用户负载的事故发生，在 UPS UPS 的逻辑控制电路作用的逻辑控制电路作用下，在将开关下，在将开关 K0K0置于断开状态的同时，还将位于采用变压器抽头调压方式置于断开状态的同时，还将位于采用变压器抽头调压方式运行中的降压绕组的输入端的开关运行中的降压绕组的输入端的开关 K 2K 2置于闭合状态。这样，经转换开关置于闭合状态。这样，经转换开关送往负载的电源是从降压绕组所输出的市电电源（一般为市电输入

36、电压的送往负载的电源是从降压绕组所输出的市电电源（一般为市电输入电压的 0.9 0.9 倍，此时的输出电压为：倍，此时的输出电压为：23023025OV) 25OV) ，从而达到用户负载安全运行，从而达到用户负载安全运行的目的的目的。3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电电源的电压处于上当市电电源的电压处于上述的述的150150276V276V范围内时，范围内时，在线互动式在线互动式 UPS UPS 除了向用除了向用户的负载提供户的负载提供 220V220V20 20 的电源外，还经身兼逆的电源外，还经身兼逆变器充电器两种控制功变器充电器两种控制功能的变换器向电池组充电，能的变换器向电池

37、组充电，以便在市电工作不正常时，以便在市电工作不正常时，提供足够的直流能量。提供足够的直流能量。市电向电池组充电市电向电池组充电3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电供电不正常时，即市电输人电压低于当市电供电不正常时，即市电输人电压低于 150V 150V 或高于或高于 276V 276V 时，如图所示，这时在机内的逻辑控制电路的调控时，如图所示，这时在机内的逻辑控制电路的调控下，下， UPS UPS 电源的各关键控制部件将完成如下的操作：电源的各关键控制部件将完成如下的操作： 市电供电不正常时的工作状态市电供电不正常时的工作状态3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电供电不正常时市

38、电供电不正常时的工作状态市电供电不正常时的工作状态 逆变器充电器控制模块将会从原来的充电器工作方式转人逆变器工作方式。在蓄电池提供的能量支持下，该模块经正弦波脉宽调制（ SPWM ）向外送出稳压的正弦波形逆变器电源。 3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电供电不正常时市电供电不正常时的工作状态市电供电不正常时的工作状态 转换开关在切断交流旁路供电通道通往负载端的同时，把逆变器供转换开关在切断交流旁路供电通道通往负载端的同时，把逆变器供电通道同负载连接起来，从而实现由电通道同负载连接起来，从而实现由 UPS UPS 逆变器电源向负载提供正逆变器电源向负载提供正弦波电源的操作（只有在此时，用

39、户才能得到真正的纯正正弦波电弦波电源的操作（只有在此时，用户才能得到真正的纯正正弦波电源）源） 。 在逻辑控制电路的调控下，充电器停止工作。3.2.1在线互动式UPS工作原理分析当市电供电不正常时市电供电不正常时的工作状态市电供电不正常时的工作状态综上所述：仅当市电供电不正常时，在线互动式 UPS 才由它的逆变器向外提供质量较高的正弦波电源（按目前的常用蓄电池容量配置，其工作时间为 810 分钟）。相反，在市电供电正常时，它向外提供的是仅对市电电网的电压稍加稳压处理过的质量偏低的正弦波市电电源。运行实践表明：有的在线互动式 UPS ，如果输入电源的波形畸变度5 时，易于造成它的内部的转换继电器

40、误动作。过频的切换操作易于造成服务器产生“偶发性”的误动作或自动关机。3.2.2在线互动式UPS小结综上所述，可以看到：当市电正常时，送往用户负载的电综上所述，可以看到：当市电正常时，送往用户负载的电源实际上是一路稳压精度很差的市电电源。在此过程中，源实际上是一路稳压精度很差的市电电源。在此过程中，需比较频繁地重新调整输人开关需比较频繁地重新调整输人开关 K0K0、 Kl Kl 和和 K2 K2 的工作的工作状态。为了降低成本，在状态。为了降低成本，在“在线互动式在线互动式” UPS UPS 中常采用中常采用小型继电器来作调控开关小型继电器来作调控开关 K0K0、 K1 K1 和和 K2 K2

41、 ，它们的触点，它们的触点切换时间为切换时间为 4ms 4ms 左右。其带来的弊端是：造成左右。其带来的弊端是：造成 UPS UPS 对负对负载的供电产生瞬态中断，在负载的输入端造成瞬态扰动或载的供电产生瞬态中断，在负载的输入端造成瞬态扰动或高压尖峰干扰，从而造成微机误动作。为解决这一问题，高压尖峰干扰，从而造成微机误动作。为解决这一问题，可利用由可控硅所构成的可利用由可控硅所构成的“静态开关静态开关”来代替小型继电器。来代替小型继电器。从应用技术的角度看，可将这种从应用技术的角度看，可将这种UPSUPS电源在执行市电输入电源在执行市电输入电压调压时可能产生的供电时间的中断降低到零，从而明电压

42、调压时可能产生的供电时间的中断降低到零，从而明显地改进了在线互动式显地改进了在线互动式 UPS UPS 的输出特性。然而，如果把的输出特性。然而，如果把在线互动式在线互动式 UPS UPS 连到被谐波严重连到被谐波严重“污染污染”的电网中时，的电网中时，则会由于被则会由于被“污染污染”的正弦波电源可能出现多个电压过零的正弦波电源可能出现多个电压过零点而造成可控硅误动作。问题严重时，会造成微机点而造成可控硅误动作。问题严重时，会造成微机“自检自检误动作误动作”，从而造成用户的数据或程序被破坏和丢失（这，从而造成用户的数据或程序被破坏和丢失（这时用户所看到的现象是：微机显示屏上的所有信息突然全时用

43、户所看到的现象是：微机显示屏上的所有信息突然全部消失，紧接着会看见微机进入重新部消失，紧接着会看见微机进入重新“自举启动自举启动”运行状运行状态）态）. .3.2.2在线互动式UPS小结在线互动式的优点：具有效率高在线互动式的优点：具有效率高 ( (可达可达 98%98%以上以上 ) )、结构简单、成本低、可靠性高。、结构简单、成本低、可靠性高。在线互动式的缺点：它大部分时间由市电直在线互动式的缺点：它大部分时间由市电直接给负载供电接给负载供电 , ,输出电压质量差输出电压质量差 , ,市电掉电时交流旁市电掉电时交流旁路开关存在断开时间路开关存在断开时间 , ,导致输出存在一定时导致输出存在一

44、定时间的电能中断。间的电能中断。3.3 Delta UPS电源DeltaDeltaUPSUPS是一种将串联交流稳压技术与脉宽调制技术相结合产品是一种将串联交流稳压技术与脉宽调制技术相结合产品, ,它利它利用小功率用小功率( (设计容量为设计容量为20%UPS20%UPS的标称输出功率的标称输出功率),),经位于主供电通道上的补经位于主供电通道上的补偿变压器偿变压器, ,对不稳定的市电电源的电压执行一定数量级电压调整的电压补对不稳定的市电电源的电压执行一定数量级电压调整的电压补偿型的交流稳压电源偿型的交流稳压电源( (最大的输出电压调节量小于最大的输出电压调节量小于15%UPS15%UPS的标称

45、输出电的标称输出电压压).).如图所示如图所示, ,它主要由分别位于主供电通道和交流旁路供电通道上的静态开它主要由分别位于主供电通道和交流旁路供电通道上的静态开关关STS1STS1和和STS2,STS2,补偿变压器和两个具有四象限控制特性的补偿变压器和两个具有四象限控制特性的DeltaDelta变换器和主变换器和主变换器变换器, ,电池组等部件组成电池组等部件组成. .其电池组采用双极性配置法其电池组采用双极性配置法. .Delta UPS原理图3.3.1 Delta UPS电源结构功能说明 结构功能说明结构功能说明 Delta UPS原理图(1)双变换器，即Delta变换器和主变换器;(2)

46、两个逆变器都是可双向传输功率的4象限高频逆变器；(3)Delta逆变器串联在主电路中，相当于一标准正弦波电流源，主要起有功补偿和谐波隔离作用，是一典型功率因数校正电路，其功率容量为输出功率的20%，该逆变器作用有三个: 对输入、输出电压差进行补偿，使输出电压稳定在1%精度内; 同主 逆变器一起控制输入电流为正弦波，使输人电流谐波3%，保证输人功率因数为0.99; 与主逆变器一起控制电池充电.3.3.1 Delta UPS电源结构功能说明 结构功能说明结构功能说明 Delta UPS原理图(4)主逆变器并联在UPS输出端，相当于个标准正弦波电压源,保证UPS输出纯净的交流电压，功率容量设计为UP

47、S额定输出容量，其作用有四个方面:市电故障时，100%负载功率由主逆变器提供.市电正常时.与Delta逆变器一起完成对输入电压的补偿，此时它的最大运行功率为UPS输出功率的20%.在Delta逆变器的控制下，由主逆变器完成对电池的充电. 当负载中存在无功和谐波电流时，由主逆变器提供无功和谐波电流的补偿. 3.3.2 Delta UPS Delta UPS的稳压调节原理的稳压调节原理 Delta UPS的稳压调节原理，如图所示： 市电电压偏低时，市电电压偏低时，使Delta变换器所产生脉宽调制型交变电源的占空比50%，就可以使得在 UPS 输出端的电压Uo=UiU（这时在补偿变压器原边绕组上的U

48、的方向与输人电压的方向相同，输入电压与补偿电压的幅值相加）。 当当DeltaDelta变换器所产生的脉宽调制交变电源的占空比等于变换器所产生的脉宽调制交变电源的占空比等于50%50%时时，则此时出现在补偿变压器原副边绕组上的补偿电压U=O显然，在此条件下，Uo=Ui的运行条件就能实现了Uo=Ui U 3.3.2 Delta UPS Delta UPS的稳压调节原理的稳压调节原理 Delta UPS的稳压调节原理，如图所示： 市电电压偏高时，使Delta变换器产生的脉宽调制交变电源的占空比Delta变换型UPS在线互动式UPS后备式UPS.到此为止，我们可将所讨论过的几种典型 UPS 的工作特性

49、简单归纳于下表中。3.5 UPS原理小结 在线式与非在线式 UPS 电源（后备式 UPS ，在线互动式 UPS , Delta 变换型 UPS ）的主要区别是：双变换式在线式UPS ：首先利用 AC 一 DC 变换将普通的市电交流电源变成直流稳压电源，然后再将直流电源经脉宽调制处理后，就能在逆变器内经DC AC 变换重新变成稳定的、纯净的正弦波电源。因此，它是属于将市电电源进行彻底改造的“再生型”电源。它可以解决来自市电电源的电压不稳、频率不稳、波形畸变及各种电磁干扰等的所有电源问题。非在线式 UPS ：属于仅对市电电源的电压波动进行不同程度的稳压处理的“改良型”电源。它对除电源电压之外的其他

50、的电源问题的改善程度相当有限。当市电供电正常时，它们的市电输入端与 UPS 输出端处于非电气隔离状态。4 UPS的技术现状4.1UPS的关键技术探讨UPSUPS按其容量大小不同可以分为按其容量大小不同可以分为100kVA100kVA以上的大功以上的大功率率UPSUPS，1010100kVA100kVA的中功率的中功率UPSUPS和和10kVA10kVA以下的小以下的小功率功率UPS.UPS.大功率大功率UPSUPS在技术在技术, ,工艺工艺, ,制造等多方面的难度也超制造等多方面的难度也超出了中小功率的出了中小功率的UPS,UPS,目前只有一些世界知名公司有目前只有一些世界知名公司有设计和制造

51、能力设计和制造能力, ,它作为电力电子行业的尖端产品它作为电力电子行业的尖端产品, ,成为衡量一个电气公司技术水平的重要标志成为衡量一个电气公司技术水平的重要标志. .大功率大功率UPSUPS的关键技术如下的关键技术如下: :逆变技术逆变技术整流技术整流技术4.1.1逆变技术 逆变器是整个UPS的核心.对于UPS逆变器的电路结构,主要有以下几种:(1)工频机的逆变器 这种逆变器结构的优点是给用户提供了真正的隔离电源,具有谐波抑制作用,可以提高单相负载过载能力;缺点是输出三相电压相互耦合无法独立控制以及装置体积大.(2)高频机的逆变器 高频机逆变器的优点是输出电压可以独立控制,装置体积小;其缺点

52、是输入输出不隔离,导致可靠性和安全性变差,并且输出电压有一定的直流成分.(3)新型的在线式互动技术 这种逆变器兼有高频机的优点和缺点.(4)四桥臂变换技术 这种技术正处在研究之中,优点它可以使输出三相电压独立控制,但是其缺点是控制模型在多面体内运动,算法复杂.4.1.1逆变技术基本变换方式下图是最典型的逆变器的电路结构。即是在逆变器的直流输人侧接电解电容，在直流输出侧接工频变压器，在变压器的次级接交流滤波器的电路结构。逆变器的输出电压一般是采用 PWM 的恒压控制方式，在小功率到大功率的 UPS 中广泛采用。对于这种电路结构来说，可通过开关频率的高频化使波形整形用交流滤波器小型化，以及有效利用

53、变压器的漏感用做电感，从而使 UPS 小型轻量化。逆变器电路的基本结构4.1.1逆变技术高频环节变换方式高频环节变换方式除了特殊情况外，除了特殊情况外，UPSUPS的输人输出需要进行隔离，的输人输出需要进行隔离，一般采用工频变压器，但这就使一般采用工频变压器，但这就使UPSUPS小型轻量化小型轻量化受到限制。受到限制。现研制开发有采用现研制开发有采用MOSFET , IGBT MOSFET , IGBT 等高频开关元件的高频环节的变换方式，已经等高频开关元件的高频环节的变换方式，已经用于部分小功率用于部分小功率 UPS UPS 中。中。高频环节变换方式的高频环节变换方式的电路有各种结构。电路有

54、各种结构。4.1.1逆变技术高频环节变换方式如图所示高频环节变换方式的逆变器电路实例，即常用的直流直流变换器与循环换流器。输入输出都采用高频变压器进行隔离，有利于 UPS 小型轻量化。直流/直流变换器已经实用化了，循环换流器正在开发阶段。对于直流/ 直流变换器，它是采用高频变压器进行隔离而构成直流电压高频环节变换方式的逆变器电路实例4.1.1逆变技术高频环节变换方式下图是循环换流方式的逆变器电路实例。图(a)为单相输出用逆变器，图(b)为三相输出用逆变器，它们都是用高频变压器对高频逆变器的输出进行隔离，再用双向开关电路构成的循环换流器变换为工频交流的变换方式。对于单相输出用逆变器，输出电压的控

55、制是对高频逆变器进行PWM控制与对循环换流器进行控制的两种方式，但对于三相输出用逆变器是对循环换流器进行控制的方式。循环换流方式的逆变器电路实例图a4.1.1逆变技术高频环节变换方式下图是循环换流方式的逆变器电路实例。图(a)为单相输出用逆变器，图(b)为三相输出用逆变器，它们都是用高频变压器对高频逆变器的输出进行隔离，再用双向开关电路构成的循环换流器变换为工频交流的变换方式。对于单相输出用逆变器，输出电压的控制是对高频逆变器进行PWM控制与对循环换流器进行控制的两种方式，但对于三相输出用逆变器是对循环换流器进行控制的方式。循环换流方式的逆变器电路实例图b4.1.1逆变技术总的来说总的来说,

56、,逆变器的拓扑结构近年来没有大的突破逆变器的拓扑结构近年来没有大的突破. .为了提高整个为了提高整个UPSUPS的性能的性能, ,更多的集中在更多的集中在UPSUPS逆变器逆变器控制技术研究上控制技术研究上. .当今逆变器的数字化控制方法成当今逆变器的数字化控制方法成为交流电源领域的研究热点为交流电源领域的研究热点, ,出现了多种离散化控出现了多种离散化控制方法制方法, ,包括数字包括数字PIDPID控制控制, ,状态反馈控制状态反馈控制, ,无差拍无差拍控制控制, ,重复控制重复控制, ,模糊控制模糊控制, ,神经网络控制等方法神经网络控制等方法. .上述各种上述各种A A控制方案都有其优势

57、控制方案都有其优势, ,但是也有其不足但是也有其不足. .为了使为了使UPSUPS具有较好的鲁棒性具有较好的鲁棒性, ,稳态精度稳态精度, ,动态响应动态响应速度速度, ,输出电压波形畸变率等输出电压波形畸变率等, ,一种必然的发展趋一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透势是各种方法相互渗透, ,互相结合形成复合控制方互相结合形成复合控制方案案. .复合控制是复合控制是UPSUPS逆变器的一个发展方向逆变器的一个发展方向. .4.1.2整流技术 传统三相大功率UPS一般采用晶闸管整流技术,在大功率段一般采用12相甚至24相整流技术.晶闸管整流的优点在于原理简单,控制方法成熟,效率高,但是谐波电流

58、大.为了防止对电网构成污染,一般采用滤波器技术,可将12脉冲整流的输入谐波电流降到6%以下.随着大容量全控器件的发展及控制水平的提高,近年来出现了采用IGBT的高频整流技术,由于这些电路结构可以不断运用各种新的数字控制方法,它的功率因数可以达0.99以上,谐波电流小于3%,是一种真正的绿色电源,近年来开始成为研究的热点.整流技术的热点主要集中在电压型三相整流技术和电流型三相整流技术两种方案.4.1.2整流技术整流器整流器整流器是将交流变换为直流，供给逆变器直流功率，整流器是将交流变换为直流，供给逆变器直流功率，并具有对蓄电池进行充电的功能。并具有对蓄电池进行充电的功能。根据不间断电源方式的不同

59、，有对输出电压进行控根据不间断电源方式的不同，有对输出电压进行控制的电路结构和只是将交流变换为直流的电路结构。制的电路结构和只是将交流变换为直流的电路结构。传统的电路方式是采用二极管整流器和可控硅整流传统的电路方式是采用二极管整流器和可控硅整流器，但采用这种电路时会产生高次谐波影响电力系器，但采用这种电路时会产生高次谐波影响电力系统，所以要采用低次谐波以及高功率因数的电路方统，所以要采用低次谐波以及高功率因数的电路方式。式。4.1.2整流技术整流器 高功率因数变换器高功率因数变换器是在整流电路中采用的开关元器件，使交流输人电流为高功率因数的正弦波，并能使直流输出电压稳定的电路方式。在小功率到大

60、功率 UPS 中，这种电路正在进人实用阶段。如下图所示各种高功率因数变换器电路。单相输人 UPS 通常采用图(a) 图(c)的三种方式，三相输人 UPS 通常采用图(d)的方式。这些都是直流输出电压高于交流输人电压峰值的升压方式。在小功率 UPS 中采用单相输人的升压斩波式与半桥式电路，在较大功率UPS 中采用单相输人的混合桥式电路。各种高功率因数变换器4.1.2整流技术整流器 高功率因数变换器高功率因数变换器是在整流电路中采用的开关元器件，使交流输人电流为高功率因数的正弦波，并能使直流输出电压稳定的电路方式。在小功率到大功率 UPS 中，这种电路正在进人实用阶段。如下图所示各种高功率因数变换