交流不間斷電源UPS的組成原理及容量的確定

摘 要：ups不間斷電源主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其它電力電子設備提供不間斷的電力供應。本章重點介紹UPS基本組成及原理、分類、供電方式及容量的確定。

關(guān)鍵詞：ups；組成；原理；容量確定

UPS（Uninterruptible Power System），是一種含有儲能裝置，以逆變器為核心的恒壓恒頻的不間斷電源。

1 UPS基本組成

由AC-DC整流器、DC-AC逆變器、控制電路、蓄電池和轉(zhuǎn)換開關(guān)等部分組成。⑴AC-DC整流器：將電網(wǎng)來的交流電全波整流、濾波變?yōu)橹绷麟姡┙o逆變電路；⑵DC-AC逆變器：大功率MOSFET或IGBT逆變電路，其作用是變直流為交流輸出，輸出阻抗小，具有較大功率富余量和快速響應特性。由于采用高頻調(diào)制限流技術(shù)及快速短路保護技術(shù)，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負載沖擊或短路，均可安全可靠地工作；⑶控制電路：完成整機功能控制，提供檢測、保護、同步以及各種開關(guān)和顯示驅(qū)動信號，完成正弦脈寬調(diào)制SPWM的控制，采用靜態(tài)和動態(tài)雙重電壓反饋。極大地改善了逆變器的動態(tài)特性和穩(wěn)定性；⑷蓄電池：是UPS儲能裝置。UPS的蓄電池應具有良好的大電流放電特性，經(jīng)得住反復地充放電，壽命要長，目前常用免維護密封式鉛酸蓄電池；⑸轉(zhuǎn)換開關(guān)：是提供維修通道。要求切換快、過載能力大。a.靜態(tài)旁路開關(guān)：靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，是將一對反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來，作為UPS在執(zhí)行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時的元件。由于快速晶閘管的接通時間為微秒級，是小型繼電器毫秒級的轉(zhuǎn)換時間的千分之一左右。因此，可以對負載實現(xiàn)轉(zhuǎn)換時間為零的不間斷供電。b.動態(tài)旁路開關(guān)：動態(tài)旁路開關(guān)為有觸點開關(guān)，由接觸器和斷路器構(gòu)成，靠機械動作完成轉(zhuǎn)換，動態(tài)開關(guān)轉(zhuǎn)換過程會有幾十毫秒的供電中斷，故不能應用于重要的負載場合，現(xiàn)代的UPS己很少采用。

2 UPS的分類

2.1 后備式

⑴基本原理：UPS在市電正常時直接由市電向負載供電，當市電超出其工作范圍或停電時，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)由電池逆變供電。⑵特點：結(jié)構(gòu)簡單，運行效率高、成本低，適用于市電波動不大，對供電質(zhì)量要求不高的場合，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定精度差，有切換時間，輸出波形一般為方波。

2.2 在線互動式

⑴基本原理：在輸入市電正常時，UPS的逆變器處于整流工作狀態(tài)，給電池組充電；在市電異常時逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)，將電池組電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出。

⑵特點：同后備式UPS相比，在線互動式UPS的保護功能較強，逆變器輸出電壓波形較好，一般為正弦波，但同樣存在切換時間。這種UPS集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點，但其穩(wěn)頻特性能不是十分理想。

2.3 在線式

⑴基本原理：UPS先將外部交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^高質(zhì)量的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出；在市電異常時，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。⑵組成：由整流濾波電路、逆變器、輸出變壓器及濾波器、靜態(tài)開關(guān)、充電電路、蓄電池組和控制監(jiān)測、顯示告警及保護電路組成。⑶特點：極寬的輸入電壓范圍，無切換時間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，適合電源要求較高的場合，成本較高。目前功率3KVA以上幾乎都是在線式。

3 UPS的供電方式

多臺UPS并聯(lián)冗余供電；UPS雙總線模式供電；UPS單機供電等。

4 UPS對前級供電系統(tǒng)的要求

⑴前級供電系統(tǒng)電源電壓及頻率應穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)。一般地講，大容量UPS主機輸入電壓范圍應為380V士15%。電壓過低將使UPS后備蓄電池頻繁放電，最終因長期處于欠壓充電狀態(tài)而大大縮短它的使用壽命；相反，電壓過高則易引起逆變器損壞。如果通信機房的前級電網(wǎng)在電壓范圍上達不到要求，應在UPS前級配置合適的抗干擾交流穩(wěn)壓電源，不宜采用磁飽和穩(wěn)壓器，因為這類穩(wěn)壓器在開機時可產(chǎn)生瞬時高壓，輸出波形失真度也較大，易造成UPS故障。

⑵前級供電系統(tǒng)中不應當帶有別的頻繁啟動負載。電梯、頻繁開啟的空調(diào)等在開、關(guān)機時會出現(xiàn)瞬間高、低壓，使供電線路上電壓波形失真度過大，造成UPS市電旁路供電與逆變器供電轉(zhuǎn)換控制電路誤動作，進而引起同步控制電路故障。在有條件的情況下，宜將UPS電源盡可能置于電網(wǎng)輸入的前端或采用獨立的供電回路。

5 UPS容量的確定

UPS的容量要滿足當前負載的需要，同時也要考慮以下幾個因素。

⑴負載性質(zhì)對UPS輸出功率的影響，大部分UPS生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品說明書中所給的輸出功率都是指負載功率因數(shù)為0.8（滯后，感性電路中電流的相位滯后于電壓）時的值，而UPS電源實際可帶的負載量是與負載功率因數(shù)密切相關(guān)的，所以在考慮UPS容量時，對不同的負載功率因數(shù)要進行功率折算。通常可進行這樣的估算：假設負載功率因數(shù)為0.8 UPS額定功率為1KW時，輸出功率為0.74～0.77KW，則當功率因數(shù)為0.9和1.0時，輸出功率為0.9～0.92KW。對于沖擊類負載，只要負載的峰值系數(shù)在UPS允許的范圍內(nèi)UPS基本上可以輸出額定功率。

⑵UPS容量不宜過小；以免使其長期處于重載運行狀態(tài)。這樣雖可節(jié)省部分投資，但由于逆變器處于重載運行狀態(tài)，其輸出波形將發(fā)生畸變，輸出電壓幅值抖動過大。這樣既不能為負載提供優(yōu)質(zhì)電源，又極易造成UPS逆變器末級驅(qū)動元件損壞。 UPS負載量不宜長期超過其額定容量的80%。