UPS不間斷電源系統優化設計

王建國

摘 ?要：UPS（Uninterrupted Power System）即不間斷電源，是一種比較新穎的電源系統設備，該設備由電子電力變流裝置以及測控裝置組成，是變電站自動化系統的關鍵電源設備，同時也是電網調度自動化系統數據可靠傳輸以及安全穩定運行的基礎。UPS是企業重要的供電保障設備，但是該設備存在遇到的抗干擾能力不強，易于輸出中斷，部件工作不穩定，易燒壞等缺點。再加上變電站在UPS設備上投入成本高，維護人員工作量大，不易實時掌握設備運行狀態和關鍵數據，設備事故預防能力低。針對工作中所出現的一系列問題，文章以提高UPS的可靠性為基本點，從UPS的結構裝置和形式來考慮其設計方案，證明了該系統優化設計的合理可行性。

關鍵詞：可靠性;不間斷供電;優化設計

中圖分類號：TQ056.8 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）26-0003-02

1 ?概 ?述

隨著綜合國力的提升、人民生活水平的提高，首要任務就是保證計算機信息網絡系統安全、可靠運行，信息業界乃至各行各業公認 UPS 不間斷電源的重要性。

實際上，UPS經歷過近四十年的發展，性能指標基本相似，不同點在于功能上的拓寬、創新及可靠性的高低。脈沖調制技術和功率晶體管及組合管、功率MOS管、IGBT等已被UPS普遍采用，從而降低了UPS的可聞噪聲，提高了效率和可靠性。UPS本身就是集數字與模擬技術，數字通訊技術、電力電子技術、微處理器及軟件編程等技術于一體的密集型電子產品。另外，隨著位處理器和計算機的應用的普及，將其引入UPS系統。研制只能UPS是UPS發展的必然趨勢。

2 ? UPS的分類

根據工作原理的不同，不間斷電源可以分為后備式、在線式與在線互動式三種。

2.1 ?后備式

斷電保護、自動穩壓在不間斷電源的應用中，是最基礎最重要的功能，后備式均能達到這些功能的要求，它的結構十分簡單、較高的可靠性、較低的價格，因此在外部設計、微型計算機或POS機等多個領域廣泛應用。

2.2 ?在線式

在線式雖然結構相對復雜，但與其他兩種相比，可以持續零中斷地輸出純凈正弦波交流電，對于所出現的浪涌、尖峰等系列電源問題，均能有效快速解決;但是由于在線式需要的資金比較大，在關鍵網絡中心與設備等對電力要求嚴格的環境中才會使用。

2.3 ?在線互動式

在線互動式比后備式具有更加強烈的濾波能力、抵御市電干擾功能，其轉換時間在4 ms以內，在網絡設備（如：路由器、配備服務器）、電力工作環境相對困難的偏遠地區均能夠安全應用。當市電處于正常供電的情況下，通過市電濾波的回路作用之后，不間斷電源 （UPS） 同時分成兩個回路，一個是通過充電回路完成對電池組的充電，另一個是依次經過整流回路、逆變器的轉換，最后把電力提供給計算機。

3 ?系統優化設計

3.1 ?主電路設計

本設計中整流器和充電器合二為一，這主要從功率大這個因素考慮的。為實現大功率整流和充電的需要，設計中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控橋式整流充電電路，從而大大提高了可靠性，降低了造價。

3.1.1 ?整流器

UPS電源裝置的重要組成之一是整流器，它具有以下兩個功能：能夠把市電發出的交流轉變為直流電，經過濾波操作后供給負載、逆變器;整流器在設計中的作用相當于一個充電器，給蓄電池提供所需要的充電電壓。根據梅蘭日蘭UPS不間斷電源Galaxy系列整流器電路的組成部件和工作原理，控制電路采用16位INTEL96系列的單片機，控制簡潔、方便可靠。主回路電路示意圖，如圖1所示。

3.1.2 ?逆變器

不間斷電源的交流電源裝置的核心是逆變器，穿插在負載、整流器兩裝置當中，利用蓄電池的輸出功能，經過轉換最終把直流電轉變成 標準的交流電，提供給負載。逆變器的功率單元采用IGBT組成的二相橋式逆變電路，IGBT驅單元采用日本富士公司生產的EXB841驅動芯片組成的驅電路，逆變控制系統設計采用冗余設計方案，兩套由INTEL公司生產的16位微處理器。

3.1.3 ?蓄電池

儲存電能的部分就是蓄電池。當處于正常供電的情況下，直流電源就會對蓄電池充電工作，實際上就是把電能轉換成化學能;當市電供電中斷的時候，不間斷電源就會把儲存在蓄電池中的化學能量轉變成電能（直流電），從而就能夠使逆變器正常工作。在該設計中選用一組20節的PBG200AH 12 V蓄電池。

3.1.4 ?充電器

生產生活中常用的充電電路有分級式和恒壓充電兩種形式。在線式UPS通常采用分級式充電電路，簡單來說就是在充電初期的時候，采用恒流形式充電;當蓄電池的端電壓充滿電壓之后，再采用恒壓充電形式，該系統優化設計采用 UC3842 芯片。充電器實際上作為一個開關電源，只不過這種電源具有限制電流、穩定壓力的功能，只要把相關參數設置合適，就可以使蓄電池達到滿意的狀態充電，這樣子就無形中增加了蓄電池的使用壽命。

3.2 ?控制電路設計

3.2.1 ?整流器控制電路

整流器本質是一個把將交流（AC）轉變為直流（DC）的整流裝置。在雙變換不間斷電源中，整流器既能夠給逆變器供電，又能夠給蓄電池進行充電，因此又可以把它叫作整流器/充電機。整流器對各部分基本要求如下：

①利用交流可以輸入電流的功能，整流器/充電機限定了電路中的電流，根據有關規定交流輸入的電流達到滿載的1.15倍;當發電機組在供電的時候，交流輸入電流與滿載輸入電流相平衡。

②整流器/充電機利用蓄電池充電電流限流電路，將蓄電池充電電流限制到不間斷電源額定輸出容量的15%;當發電機組在供電的時候，蓄電池的充電電流應限制至零。

③遠端溫度檢測器運行的時候，整流器/充電機能夠自動地進行調節蓄電池的浮充電壓使其維持在一般-5 mv/只/℃左右。

目前較先進的方法是采用SPWM高頻整流提高UPS的輸入功率因數，也就是從提升開關頻率的途徑，從根本上解決不間斷電源的諧波污染及無功缺額問題。

此外，另一種新興的技術——軟開關技術。這是一種可以降低開關損耗、提高開關頻率、減少開關硬力、提高工作可靠性的新興技術。目前也被部分不間斷電源廠家所采用。

3.2.2 ?逆變器控制電路

通常希望逆變器能得到一個電壓穩定的電源，但是由于種種原因的影響，比如市電電壓變化頻繁，有時低于380 V（三相交流電輸入），甚至低達340 V;有時高于380 V，甚至高達420 V等，如果采用不可控整流電路，將使得整流器的直流輸出不能保持穩定，只有采用可控整流電路，同時采用必要地負反饋環節，自動地調節脈沖相位，才能保證整流器的輸出電壓穩定。

3.2.3 ?微處理器的選擇

現在市場上應用最為普遍的是8位單片機，但是在一些比較復雜的系統中，它就不得不讓位于16位單片機。采用的是數字信號處理器（Digital Signal Processo動和大規模邏輯控制器CPLD對不間斷電源系統中的變換、控制、量測等環節進行全息控制，從控制器性能提升的角度對整套裝置的變流精度，控制準度進行提升，從而保證正弦波形的相似度非常接近同時由于這種先進的數字控制系統帶來的完備的保護邏輯，能夠是不間斷電源系統更穩定可靠地工作。

3.3 ?保護電路設計

對于完整的不間斷電源系統來說，應該具有過電壓保護、欠電壓保護、過載保護、過熱保護和短路保護等一系列措施。除了以上這些保護措施之外，在重要的UPS情況下，對防止電解液面過低和蓄電池溫度異常現象的發生也應該有相應的保護。當電路處于超載（即為負載的1.5倍）的情況下，電源開關就能夠快速轉換到旁路狀態，直到負載正常時就會自動恢復到常態;當處于嚴重超載（即為額定負載的2倍）情況下，不間斷電源就會馬上控制逆變器的輸出，自動切換到旁路狀態，同時前面的輸入空氣開關也有可能跳閘;當這些問題都解決之后，重新關閉開關、再開機，不間斷電源恢復到了原來的工作狀態。

4 ?結 ?語

在電力系統中，電力操作電源能夠為保護和控制設備提供獨立電源。因而，電力系統的直流操作電源要求特別高的可靠性，包括大型樞紐變電站、中小型變電站、核電站、水火力發電廠等，均要求直流供電系統的高可靠性。通過對UPS系統進行合理的優化設計，達到各部件之間能夠可靠、協同地進行工作的效果，優化冗余的配置方案，最終能夠使電力系統在直流操作電源系統的操作下能夠高效運行。

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