1、1 引言UPS（ UninterruptedPower Supply ）又称不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。随着现代工业的发展，供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电设备的启动和停止，大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变 。另外，自然界的雷电，电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量。由于以上因素的影响，可能会导致接在电网上的计算机设备，包括通信医疗金融武器控制等精密的仪器设备发生失控丢失数据停机损坏等严重后果，直接影响用户的正常工作，造成严重的经济损失。随着现代网络技术和信息
2、产业的进一步发展，供电中断所带来的损失的也变的越来越严重。 UPS 就是为了解决供电系统存在的问题应运而生的，至今已经历了几十年的发展历程。精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，以服务器为核心的网络中心要配备 UPS 是不言而喻的，即使是一台普通电脑，其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备 UPS 也是十分必须的。而且 UPS 系统并不是只有当停电时才有动作的，前面所提到的市电异常，包含了市电电压过低、过高、突波、噪声等，足以影响设备正常运作的电源品质，因此 UPS 的重要性可见一斑。2 UPS 原理及分类2.1 UPS 的性能要求及主要组成
3、部分从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，目前技术成熟并已形成产品的各种 UPS 主要有 4 大类：后备式 UPS、在线互动式UPS、双变换在线式 UPS 以及双向变换串并联补偿式 UPS(Delta 变换器)。理想的 UPS 应具备以下性能：1.在正常或后备工作方式下，即使给非线性负载供电，UPS 输出可控正弦电压且总谐波畸变率小。2.市电故障时无间隔地从充电工作方式过渡到后备工作方式，反之亦同。3.对于任意负载，在备用工作方式下，UPS 输入电流正弦波，THD 值小且功率因数为 1。UPS 电 源 系 统 由 4 部 分 组 成 ： 整 流 、 储 能 、 变 换 和 开 关 控 制 。
4、其 系 统 的 稳 压 功 能 通 常 是 由 整 流 器 完 成 的 ， 整 流 器 件 采 用 可 控 硅或 高 频 开 关 整 流 器 ， 本 身 具 有 可 根 据 外 电 的 变 化 控 制 输 出 幅 度 的功 能 ， 从 而 当 外 电 发 生 变 化 时 （ 该 变 化 应 满 足 系 统 要 求 ） ， 输 出幅 度 基 本 不 变 的 整 流 电 压 。 净 化 功 能 由 储 能 电 池 来 完 成 ， 由 于 整流 器 对 瞬 时 脉 冲 干 扰 不 能 消 除 ， 整 流 后 的 电 压 仍 存 在 干 扰 脉 冲 。储 能 电 池 除 可 存 储 直 流 直 能 的
5、 功 能 外 ， 对 整 流 器 来 说 就 象 接 了 一只 大 容 器 电 容 器 ， 其 等 效 电 容 量 的 大 小 ， 与 储 能 电 池 容 量 大 小 成正 比 。 由 于 电 容 两 端 的 电 压 是 不 能 突 变 的 ， 即 利 用 了 电 容 器 对 脉冲 的 平 滑 特 性 消 除 了 脉 冲 干 扰 ， 起 到 了 净 化 功 能 ， 也 称 对 干 扰 的屏 蔽 。 频 率 的 稳 定 则 由 变 换 器 来 完 成 ， 频 率 稳 定 度 取 决 于 变 换 器的 振 荡 频 率 的 稳 定 程 度 。 为 方 便 UPS 电 源 系 统 的 日 常 操 作
6、与 维 护 ，设 计 了 系 统 工 作 开 关 ， 主 动 自 检 故 障 后 的 旁 路 开 关 等 开 关 控 制 。在 电 网 电 压 工 作 正 常 时 ， UPS 在 给 负 载 供 电 的 同 时 给 储 能 电池 充 电 ； 当 突 发 停 电 时 ， UPS 电 源 开 始 工 作 ， 由 储 能 电 池 供 给 负载 所 需 电 源 ， 维 持 正 常 的 生 产 ； 当 由 于 生 产 需 要 ， 负 载 严 重 过 载时 ， 由 电 网 电 压 经 整 流 直 接 给 负 载 供 电 。2.2 UPS 的 分 类2.2.1 后 备 式 UPS 后备式 UPS 是静态 U
7、PS 的最初形式，他是一种以市电供电为主的电源形式，主要由充电器、蓄电池、逆变器以及变压器抽头调压式文雅电源四部分组成。当电网电压正常时，UPS 把市电经简单稳压处理后直接供给负载；当电网故障火供电中断时，系统才通过转换开关切换为逆变器供电。工作原理如下图所示。 图 2.1 后备式2.2.2 在线互动式 UPS在线互动式 UPS 省去了整流器和充电器，而由一个可运行于整流状态和逆变状态的双向变换器配以蓄电池构成。当市电输入正常时，双向变换器处于反向工作，给电池组充电；当市电异常时，双向变换器立即转换为逆变工作状态，将电池电能装换为交流电输出，其工作原理如下图所示。 图 2.2 在线互动式2.2
8、.3 双变换在线式 UPS 目前大容量 UPS 大多采用这种结构形式。该 UPS 一般来说由整流器、充电器、蓄电池、逆变器等几部分组成，他是一种以逆变器供电为主的电源形式。当市电正常供电时，市电一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后再送给负载。仅仅在逆变器出现故障时，才通过转换开关切换为市电旁路供电。其工作原理如下图所示图 2.3 双变换在线式2.2.4 Delta 变换式 UPSDelta 变换式 UPS 是一种最新的 UPS 结构形式。 Delta 变换式UPS 成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到 UPS 主电路中，引入了一个四象限变换
9、器。当市电正常时，Delta 变换式 UPS 既起到了给蓄电池充电的作用，同事也起到了补偿电网波动和干扰的作用，在市电输出时，也能保证供给负载的电能质量。其工作原理如下图所示。图 2.4 Delta 变换式2.3 大中型 UPS 的工作原理大中型 UPS 多为在线式，其系统框图与小型在线式 UPS 差不多，如下图所示。有市电时，市电经整流器、斩波器、逆变器给负载供电；当市电中断时或者超限时，整流器停止工作，蓄电池电能经逆变后继续给负载供电；当 UPS 故障时，市电通过旁路直接给负载供电。2.4 典型 UPS 性能对比各种典型 UPS 在市电正常时的主要性能归纳如下：UPS 类型 容量范围/Kv
10、A输出电压质量 输入功率因数切换时间 效率和过载能力后备式 2 稳压精度：(4%7%)有波形畸变和干扰低 长 高双变换在线式0.71500 稳压精度：1%波形畸变率小完全不受电网干扰根据有误功率因数校正措施而不同无 低在线互动式 0.720 稳压精度：20%有波形畸变和干扰稳压由负载决定 短 高Delta 变换式 10480 稳压精度：1% 高 无 低波形畸变率小受电网干扰小通过对各种典型 UPS 主要性能的比对，并参照本次设计所要求的参数，本设计将以双变换在线式 UPS 为基础进行设计。3 AC/DC 变换器设计3.1 三相全控整流电路大中型 UPS 中广泛应用三相桥式全控整流滤波电路，如下
11、图所示。当控制较 a 等于零时，其工作过程与三相桥式不控整流滤波电路相同，在自然幻想点换相。当控制角 a 大于零时，每个晶闸管都从自然换向点后移 a 角开始换相。不管 a 为何值，电压 Ud 都是线电压的一部分，所以从线电压入手计算 Ud 更简单。由于 Ud 波形每隔60重复一次，Ud 的计算只要在 /3 范围内取平均值即可。在三相星型接法的电路中，先带你呀较其相应的相电压超前 30。现将线电压 Uab 的零点作为新坐标的远点，即从原来以相电压 Ua 零点的坐标提前 30。因此在新坐标上，自然换相点的位置在 wt 等于/3 处。1)电阻性负责当 0a/3 时，有Ud=2.34Ucos a=1.
12、35Ulcos a式中：U2变压器 T 次级相电压；U2l变压器 T 次级线电压。当 /3a2/3 时，整流只能在正半周进行；当 a 等 2/3于 2/3 时，Ud=0 ，从上面的公式也可看出电阻负载的最大移向范围是 120。2）电感性负载对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是2/3 ，上式的积分上限可以超过 ，仍为 2/3+a。Ud=2.34Ucos a=1.35Ulcos a可见电感性负载时的最大移向范围为 90。3.2 PWM 整流电路由于相控式整流电路结构简单，控制技术成熟，单交流输入功率因数低，并想电网诸如大量的谐波电流。为克服上述缺点，国内部分公司采用高频 PWM 整
13、流电路，研制出 30100kVA 单项输出的大功率 UPS。该 UPS 除了具有完美的输出特性外，还具有交流输入电流接入功率因数接近 1 的有点。PWM 电路结构如下图。开关器件采用 IGBT。PWM 整流电路的控制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制法引入交流输入电流反馈进行闭环控制，其电流指令运算电流比不引入交流反馈的间接电流控制法简单。下图给出了PWM 整流电路控制系统的一相结构见图。该电路采用双闭环控制，其外环为直流电压控制环，内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信号 Ud 和实际的直流电压 U1 比较厚的误差信号输入 P1 调节器，P1 调节器的输出即为整流器交流输入
14、电流的给定信号，与实际的交流输入电流比较，电流误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号经比较行程 PWM 信号。该信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，使实际交流输入电流跟踪指令值，同时达到控制输出电压的目的。3.3 PWM 整流电路主要技术特性UPS 由于采用了先进的 PWM 整流电路，具有比采用相控整流电路的 UPS 更优的输入特性，主要表现在：1.具有完美的正弦波输入电流，极大的减少了 UPS 对电网的谐波污染。2.输入功率因数近似于 1，使得 UPS 与电网之间几乎没有无功传递，可以降低电源系统变压器的容量，大幅度减少无功损耗。3.输入电压范围宽，更适合于电网电压剧烈波动的地区。4.整流输出电流电压波纹小，可延长蓄电池使用寿命。
