《电力电子技术》课件(高职高专第6版) 7.4 不间断电源（UPS）

7.4不间断电源（UPS）电力电子技术(第5版)第7章电力电子装置7.4不间断电源

UPS电源装置在保证不间断供电的同时，还能提供稳压、稳频和波形失真度极小的高质量正弦波电源。

目前，在计算机网络系统、邮电通信、银行证劵、电力系统、工业控制、医疗、交通、航空等领域得到广泛应用。不间断电源：—UninterrupitablePowerSystem,简称UPS7.4.1UPS的分类

1、后备式UPS

图7.4.1后备式UPS的基本结构

市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组浮充电。市电掉电时，逆变器工作，将蓄电池供给的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，继续向负载供电。

输出电压波形有方波、准方波和正弦波三种方式。

特点：结构简单、成本低、运行效率高、价格便宜，但其输出电压稳压精度差，市电掉电时，输出有转换时间。适于小功率。

2、线式UPS

图7.4.2在线式UPS的基本结构正常工作时，市电经整流器变成直流后，再经逆变器变换成稳压、稳频的正弦波交流电压供给负载。当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电，以保证负载不间断供电。

如果逆变器发生故障，UPS则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。当故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。

特点：总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好，波形畸变小，其供电质量明显优于后备式UPS。7.4.1UPS的分类

7.4.2UPS电源中的整流器

1）对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源。蓄电池充电由专门的充电器来完成。2）对于中大功率UPS，整流器一般采用相控式整流电路,它具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时，还要向蓄电池进行充电，因此，整流器的输出电压必须是可控的。3）减少UPS注入电网的谐波电流的方法：（1）增加整流电路的相数；（2）在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器。4）目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可以做到注入电网的电流基本接近正弦波，使其功率因数接近1，大大降低了UPS对电网的谐波污染。

概述：

UPS电源中的PWM整流电路

图7.4.3单相PWM整流电路的原理框图在PWM整流电路的交流输入端AB产生一个正弦波调制PWM波uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于电感Ls的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流电流is产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，is为频率与电源频率相同的正弦波。在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其与us的相位差决定。改变uAB中基波分量的幅值和相位，就可以使is与us同相位，电路工作在整流状态，且功率因数为1。7.4.2UPS电源中的整流器

直流输出电压给定信号Ud*和实际的直流

电压Ud比较后送入PI调节器，PI调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值，它与标准正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号is*，is*与实际的交流输入电流is进行比较，误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号比较形成PWM信号。该PWM信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，便可使实际的交流输入电流跟踪指令值，从而达到控制输出电压的目的。

图7.4.4直接电流控制系统结构图

单相PWM整流电路采用直接电流控制时的控制系统结构简图

UPS电源中的PWM整流电路

7.4.2UPS电源中的整流器

7.4.3UPS电源中的逆变器

通常采用输出电压谐波系数HF来恒量UPS输出电压的波形质量的好坏。电压谐波系数定义为：

式中：U1为输出电压基波分量的有效值，Un为谐波分量的有效值。HF越小，则说明UPS输出电压波形越接近理想的正弦波。图7.4.5UPS逆变器及其控制原理框图

正弦波输出UPS通常采用SPWM逆变器。主电路采用全桥逆变电路，对于小功率UPS，开关器件一般为MOSFET，而对于大功率UPS，则采用IGBT。为滤去开关频率噪声，输出采用LC滤波电路，因为开关频率一般大于20kHz，因此，采用较小的LC滤波器。输出隔离变压器实现逆变器与负载隔离，避免它们之间电的直接联系，从而减少干扰。1、电路结构：

7.4.3UPS电源中的逆变器图7.4.5UPS逆变器及其控制原理框图

市电us经同步锁相电路得到与市电同步的50Hz方波，将其输入标准正弦波发生器，便产生与市电同步的标准正弦波信号。该信号与输出有效值调节器的输出相乘后得到输出电压瞬时值给定信号u*，再与输出电压瞬时值反馈信号uf相减，误差信号经P调节器后，再与三角载波信号相比较，得到PWM信号，该信号经驱动动电路后分别去驱动主电路的开关器件，从而达到控制输出电压的目的。

2、工作原理：

7.4.3UPS电源中的逆变器7.4.4UPS的静态开关

1、工作原理：为了进一步提高UPS电源的可靠性，在线式UPS均装有静态开关，将市电作为UPS的后备电源，在UPS发生故障或维护检修时，无间断地将负载切换到市电上，由市电直接供电。2、电路结构：静态开关的主电路一般由两只晶闸管开关反并联组成，图7.4.6单相输出UPS的静态开关原理图

一只晶闸管用于通过正半周电流，另一只晶闸管则用于通过负半周电流。3、静态开关的切换方式：1）同步切换：先通后断；2）非同步切换：先断后通；

图7.4.6单相输出UPS的静态开关原理图

3、静态开关的切换方式：1）同步切换：先通后断工作原理：切换时，首先触发静态开关2，使之导通，然后再封锁静态开关1的触发脉冲，因此，静态开关1和静态开关2同时导通，此时，市电和逆变器同时向负载供电。特点：

◆能保证在切换的过程中供电不间断。

◆在切换的过程中，逆变器必须跟踪市电的频率、相位和幅值。防止产生环流，烧坏逆变器。7.4.4UPS的静态开关

图7.4.6