山特UPS電源詳細參數(shù)

1、第章UPS電源 隨著科學的發(fā)展社會的進步，一些重要用戶的關鍵設備如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、銀行清算中心、證券交易系統(tǒng)、通信網(wǎng)管中心等，要求提供高質量的無時間中斷的交流電源。根據(jù)我國國家標準 GB2387-89 規(guī)定，對于需要配置不間斷電源的計算機房提供的交流電源至少應滿足：380V/220V、50HZ、三相五線制、電壓波動小于+-5%、頻率波動小于+-0.5%、波形失真小于+-5%。此外可能產(chǎn)生的任何瞬態(tài)供電中斷應控制在 5 ms 以內。一般的微機和服務器所允許的瞬態(tài)供電中斷時間在 8 至 10ms 的范圍。若超過此范圍，就會造成微機進入誤動作或自檢程序，從而造成正在運行的數(shù)據(jù)或程序被破壞和丟失的不利

2、局面。另外過頻的瞬態(tài)中斷引起的峰值高達 400V 左右的瞬態(tài)干擾是造成服務器產(chǎn)生偶發(fā)性自動關機的重要原因之一。因此尋找一種“干凈”的不中斷的電源系統(tǒng)將非常必要。 第一節(jié) UPS 的分類 目前，市場上 UPS 品牌和種類繁多，但可從電路主結構、后備時間、輸入/輸出方式、輸出波形和輸出容量等五個方面對其進行分類，其中按電路主結構進行分類是目前最常用的分類方法。 1. 按電路主結構分類 （1）后備式 UPS 早期的后備式 UPS 在市電供電正常時，市電直接通過交流旁路和轉換開關向負載供電，交流旁路相當于一條供電回路，逆變器不工作，此時供電效率高但質量差。近年出臺的后備式 UPS 往往在交流旁路上配置

3、了交流穩(wěn)壓電路和濾波電路加以改善。當市電異常（市電電壓、頻率超出后備式 UPS 允許的輸入范圍或市電中斷）時，后備式 UPS 通過轉換開關切換到由蓄電池提供電能的狀態(tài)，逆變器進入工作狀態(tài)，此時輸出波形為交流正弦波或方波。后備式UPS 存在切換時間，一般為 410ms，但對一般的計算機設備的工作不會造成影響。 (2)在線式 UPS 在線式 UPS 一般采用雙變換模式。當市電正常時，在線式 UPS 輸入交流電，通過充電電路對蓄電池進行充電，同時 AC/DC 電路將交流電轉換為直流電，然后通過脈沖寬度調制技術，由逆變器再將直流電逆變成正弦波交流電供給負載，起到無級穩(wěn)壓的作用。而當市電中斷時，后備蓄電

4、池開始工作，此時蓄電池儲存的電能通過逆變器變換成交流正弦波或方波并供給負載，因此無論是在市電供電正常時還是在市電中斷由蓄電池逆變供電期間，逆變器始終處于工作狀態(tài)，這就從根本上消除了來自電網(wǎng)的電壓波動和干擾對負載的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻以及零轉換時間。 （3）串并聯(lián)調整式 UPS 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 3 串并聯(lián)調整式 UPS 多采用雙逆變電壓補償技術也稱為 Delta 技術，它成功地將交流穩(wěn)壓技術中的電壓補償原理運用到 UPS 的主電路中。當市電正常時，兩組逆變器只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償，逆變器承擔的最大功率僅為輸出功率的

5、20%，所以功率強度很小，功率余量大，這就增強了 UPS 的輸出能力和過載能力，不再對負載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負載，也不再對負載功能因數(shù)進行限制，輸出有功功率可以等于標定的 KVA 值。 （4）在線互動式 UPS 在線互動式 UPS 是介于后備式 UPS 和在線式 UPS 工作方式之間的 UPS 設備，它集中了后備式 UPS 效率高和在線式 UPS 供電質量高的優(yōu)點。在線互動式 UPS 的逆變器一直處于工作狀態(tài)，具有雙向功能：在市電正常時，UPS 的逆變器處于反向工作狀態(tài)，給蓄電池組充電，起充電器的作用；在市電異常時，逆變器立刻轉入逆變工作狀態(tài)，將蓄電池組的直流電轉換為交流

6、正弦波輸出。在線互動式 UPS 也有轉換時間，但比后備式 UPS 短，保護功能較強。另外，它還采用了鐵磁諧波變壓器，抽頭調壓在市電供電時具有較好的穩(wěn)壓功能。 2、按后備時間分類 （1）標準機 配備有內置蓄電池組的 UPS 稱為標準機。一般配置蓄電池容量較小，用于短時間供電（如 5-15 分鐘），使用戶及時保存數(shù)據(jù)和系統(tǒng)正常關機。由于受體積和重量的限制，標準機僅局限于中、小功率的 UPS。 （2）長效機 需外接蓄電池組的 UPS 稱為長效機，長效機的容量從幾百伏安到幾十千伏安可供選擇。在實際應用中長效機有著很大的機動性，用戶可以根據(jù)自己所需后備時間的長短來確定采用何種容量的蓄電池。UPS 的后備

7、時間與蓄電池容量的關系可以根據(jù)以下的公式來確定： （1-1） 其中：C蓄電池容量，單位為安時（Ah）； PUPS 的額定功率，單位為伏安(VA)； PFUPS 的功率因數(shù)； U蓄電池組的直流端電壓(V)，為單節(jié)電池額電壓與蓄電池節(jié)數(shù)的乘積； 逆變器的效率，為 0.86； C1蓄電池的放電速率，該值可以根據(jù) UPS 所需后備時間 t 長短在電池的放電曲線圖上查得，例如當 t=1h 時，C1=0.55，t=2h 時，C1=0.35，t=4h 時，C1=0.20，t=8h 時，C1=0.11。 3、按輸入/輸出方式分類 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 4 根據(jù)輸入/輸出方式，可

8、分為單相輸入/單相輸出 UPS、三相輸入/單相輸出 UPS 和三相輸入/三相輸出 UPS。 小功率 UPS 都采用單相輸入/單相輸出方式，而中、大功率 UPS 多采用三相輸入/單相輸出和三相輸入/三相輸出方式，對于用戶來說，采用三相供電時市電配電和負載配電比較容易，每一相都承載一部分負載電流。 4、按輸出波形分類 按輸出波形，可分為輸出波形為正弦波的 UPS 和輸出波形為方波的 UPS。輸出波形為方波的 UPS 不適合帶感性負載，因為感性負載會使方波產(chǎn)生瞬態(tài)尖波，從而給 UPS 和負載設備造成破壞。大多數(shù)后備式 UPS 的輸出波形為方波。 5、按輸出容量分類 按輸出容量，可分為微型 UPS（輸

9、出功率小于或等于 1kVA）、小型 UPS（輸出功率大于1kVA 而小于 5kVA）、中型 UPS（輸出功率大于 5kVA 而小于或等于 30kVA）以及大型 UPS（輸出功率大于 30kVA 而小于或等于 100kVA）。 第二節(jié) UPS 的電路結構和工作原理 從主電路結構和不間斷供電的運行機制來看，目前技術成熟并已形成產(chǎn)品的各種 UPS 主要有四大類：后備式 UPS、在線互動式 UPS、雙變換在線式 UPS 以及串并聯(lián)調整式 UPS(Delta變換器)。如果按技術性能的優(yōu)劣來排序，則雙變換在線式 UPS串并聯(lián)調整式 UPS(Delta 變換器)在線互動式 UPS后備式正弦波 UPS后備式方

10、波 UPS。 一 要組成部分 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 5 圖 1.1 小型在線式 UPS 框圖 由于 UPS 功能的不同，其主電路結構和工作原理區(qū)別很大，但一般都包括以下組成部分。 1.整流充電器 整流充電器可以把市電或油機的交流電能變?yōu)橹绷麟娔埽瑸槟孀兤骱托铍姵靥峁┠芰?，其性能的?yōu)劣直接影響 UPS 的輸入指標。 (1)可控硅整流器 可控硅整流器輸出容量大，可靠性高，工作頻率低，濾波器體積大，噪聲大，適用于輸入電壓低、功率大的 UPS。 (2)二極管與絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)組合型整流器 二極管與 IGBT 組合型整流器的工作頻率高，具有功率因數(shù)校正功能，

11、濾波器體積小，嗓聲低，可靠性高，適用于中小功率 UPS。 2. 逆變器 逆變器用以把市電經(jīng)整流后的直流電能或蓄電池的直流電能轉換為電壓和頻率都比較穩(wěn)定的交流電能，其性能的優(yōu)劣直接影響 UPS 的輸出性能指標。IGBT 逆變器工作頻率高 (2OkHz)，濾波器體積小，噪聲低，可靠性高。 3.旁路開關 旁路開關是為提高 UPS 系統(tǒng)工作的可靠性而設置的，能承受負載的瞬時過載或短路電流。因 UPS 的逆變器采用電子器件，如 IGBT 管的過載能力僅為 125%，當 UPS 供電系統(tǒng) 出現(xiàn)過載或短路故障時，UPS 將自動切換到旁路，以保護 UPS 的逆變器不會因過載而損壞。UPS 供電系統(tǒng)轉入旁路供電

12、后，是由市電直接供給負載的，因市電的系統(tǒng)容量大可提供足夠的時間使過載或短路回路的斷路器跳閘，待系統(tǒng)切除過載或短路回路后，旁路開關將自動轉換回來，由UPS 繼續(xù)向其他負載供電。旁路開關可分為以下幾種。 (1)靜態(tài)旁路開關 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 6 靜態(tài)旁路開關為無觸點開關，由晶閘管開關器件構成。所謂電子式靜態(tài)轉換開關，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，同小型繼電器毫秒級的轉換時間相比，它只是小型繼電器的千分之一左右。因此，依靠這種先進技術，可以對負載實現(xiàn)轉換時間為

13、零的不間斷供電。正常工作時，只有逆變器供電通道或交流旁路電源通道中的一路電源向負載供電。只有當 UPS 需要執(zhí)行由交流旁路電源供電至逆變器供電切換操作時，才會出現(xiàn)短暫的 (約幾毫秒至幾十毫秒)兩路交流電源在時間上重疊向負載供電的情況。靜態(tài)開關可以將轉換時間縮短到 lms 以下，甚至 1OOus 以內，但損耗較大。 (2)動態(tài)旁路開關 動態(tài)旁路開關為有觸點開關，由接觸器和斷路器構成，靠機械動作完成轉換，動態(tài)開關轉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。 4.蓄電池 蓄電池用以為 UPS 提供一定后備時間的電能輸出。在市電正常時，由充電器為其提供電能并

14、轉換為化學能；在市電中斷時，其將化學能再轉換為電能，為逆變器提供能量。 二 后備式 UPS 后備式 UPS 是靜止式 UPS 的最初形式，因為應用得早，用得廣泛，因而技術和產(chǎn)品都是很成熟的。后備式 UPS 的電路結構加圖 11 所示。 圖 1-1 后備式 UPS 的電路結構 1.電路各環(huán)節(jié)的功能 （1）充電器 當市電正常時，充電器對蓄電池進行充電和浮充電。 （2）DC/AC 逆變器 當市電存在時，逆變器不工作；市電中斷時，由它將直流電壓（由蓄電池供給）轉變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波和正弦波三種形式。 （3）輸出轉換開關 當市電存在時，輸出轉換開關接通輸入電源，向負載供電；

15、市電中斷時，輸出轉換開關在斷開市電回的同時接通逆變器，繼續(xù)向負載供電。 （4）智能調壓電路 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 7 市電存在時，智能調壓電路可用來調節(jié)并穩(wěn)定輸出電壓。 2.后備式 UPS 的工作原理 后備式 UPS 的工作原理為：當電網(wǎng)供電正常時，一路市電通過整流器對蓄電池進行充電，而另一路市電通過自動穩(wěn)壓器初步穩(wěn)壓，吸收部分電網(wǎng)干擾后，再由旁路轉換開關直接提供給用戶。此時，蓄電池處在充電狀態(tài)，直到蓄電池充滿而轉人浮充狀態(tài)。后備式正弦波輸出UPS 的電路采用了抗干擾式分級調壓穩(wěn)壓技術，當市電電壓 180250V 之間變化時，其電壓穩(wěn)定度達5%，UPS 相當于一

16、臺穩(wěn)壓性能較差的穩(wěn)壓器，僅對市電電壓幅度波動有所改善，對電網(wǎng)上出現(xiàn)的頻率不穩(wěn)、波形畸變等“電污染”不作任何調整。 當電網(wǎng)電壓或電網(wǎng)頻率超出 UPS 的輸入范圍時，即在非正常的情況下，交流電的輸入被切斷，充電器停止工作，蓄電池進行放電，在控制電路的控制下逆變器開始工作，使逆變器產(chǎn)生 220V、50Hz 的交流電，此時 UPS 供電系統(tǒng)轉換為由蓄電池一逆變器繼續(xù)向負載供電。 后備式 UPS 的優(yōu)點是：產(chǎn)品價格低廉，運行費用低。由于在正常情況下逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能直接供給負載，因此后備式 UPS 的電能轉換效率很高。蓄電池的使用壽命一般為 35 年。 后備式 UPS 的缺點是：當電網(wǎng)供電出

17、現(xiàn)故障時，由電網(wǎng)供電轉換到蓄電池經(jīng)逆變器供電瞬間存在一個較長的轉換時間。對于那些對電能質量要求較高的設備來說，這一轉換時間的長短是至關重要的。再者，由于后備式 UPS 的逆變器不是經(jīng)常工作的，因此不易掌握逆變器的動態(tài)狀況，容易形成隱性故障。后備式 UPS 一般應用在一些非關鍵性的小功率設備上。 從上面后備式 UPS 的工作原理可以看出，在大部分供電時間內，負載所使用的電源就是市電(或經(jīng)過調壓器簡單調壓的市電)，負載還是會承受從市電網(wǎng)路進來的浪涌、尖脈沖、干擾、頻率漂移等不良影響。顯然，這時的 UPS 實質上是一臺性能較差的穩(wěn)壓器，只能對市電的電壓高低問題有所改善，而不能解決大部分市電供電中的問

18、題，它是一種價格便宜、技術含量較低的 UPS，適合不太重要的單臺 PC 機使用。 3.后備式正弦波輸出 UPS 的主要特點 后備式正弦波和方波輸出的區(qū)別，主要就是逆變器工作時，輸出的波形的不同。后備式正弦波 UPS 把蓄電池儲存的直流電轉換為正弦交流電，向負載提供的是高質量的無干擾的正弦波交流電。后備式正弦波輸出 UPS 的單機輸出功率為 0.252kVA，它具有以下特點： 后備式正弦波輸出 UPS 的波形失真系數(shù)小于 5%。當后備式 UPS 的負載過輕時，其波形失真系數(shù)將有所增大，因此這種 UPS 的負載需達到其額定值的 30%以上。 后備式正弦波輸出 UPS 的控制電路采用了 5OHz 市

19、電同步技術，在一定程度上解決了市電一逆變器之間供電轉換時的交流電同步問題。目前，市售產(chǎn)品的轉換時間大約為 4ms。也就是說，這類 UPS 在進行市電逆變器供電轉換時，其轉換時間決定了它對負載大約有 4ms的供電中斷，小于微型計算機允許的中斷值 lO ms。 后備式正弦波輸出 UPS 處于市電供電狀態(tài)時，由于市電是直接通過抗干擾濾波器對負山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 8 載供電的，因此噪聲較??；處于逆變器工作狀態(tài)時，由于脈寬調制頻率為 8kHz，因此噪聲偏大，一般在 55dB 左右。 后備式正弦波輸出 UPS 在市電或逆變器供電時均采用同一電源變壓器，其交流輸出端的相線與

20、零線的位置是固定的。用戶在連接這種 UPS 輸出端的相線與零線時，必須遵守廠家的有關規(guī)定。另外要說明的是，220V 交流輸出的零線也就是 UPS 控制電路的地線。 4.后備式方波輸出 UPS 的主要特點 后備式方波輸出 UPS 的單機輸出功率為 0.25lkVA。該機型與后備式正弦波輸出 UPS的不同之處在于：當市電電壓低于 180V 或高于 250V 時向負載提供的是具有穩(wěn)壓特性的 5OHz方波電源。后備式方波輸出 UPS 適宜接電阻性負載，如果接感性負載的話，會燒毀 UPS 的逆變器或對負載造成損壞。后備式方波輸出 UPS 具有以下特點： 后備式方波輸出 UPS 在電路設計中采用了抗干擾式

21、分級調壓穩(wěn)壓技術。當市電電壓在180250V 之間變化時，它仍能向微型計算機提供抗電網(wǎng)干擾的穩(wěn)壓電源；當市電中斷時，它向負載提供的交流電不是正弦波而是方波，其電壓穩(wěn)定度可達5%。 后備式方波輸出 UPS 的逆變器輸出的方波脈沖寬度和峰值與負載電流的關系是：負載越重，方波脈沖的寬度越大，而方波脈沖的峰值越小。當 UPS 空載時，方波脈沖的寬度最窄 (約98)，方波的峰值最大 (約 311V)。因此，這種 UPS 在從市電供電轉換到逆變器供電的瞬間，負載要承受嚴峻的電壓沖擊。同時，由于方波輸出中包含有大量的高次諧波分量，因此相對于方波輸出 UPS 而言，負載的整流濾波電容要承受較大的容性電流沖擊。

22、 后備式方波輸出 UPS 在線路設計中沒有采取 50Hz 市電同步技術，因此在進行市電-一逆變器供電轉換過程中，有可能出現(xiàn)瞬時的交流電短路，有時負載在轉換瞬間要承受接近電源電壓兩倍的電壓的沖擊。另外，方波輸出時其正、負方波電壓脈沖之間有可能出現(xiàn)近 5ms 的零電壓時間，加上在市電供電-逆變器供電轉換過程中繼電器有約 4ms 的轉換時間，就可能出現(xiàn) 9ms 的供電中斷。也就是說/這種類型 UPS 轉換時間的長短帶有偶然性，其變化范圍為 49ms。 后備式方波輸出 UPS 不管是處于市電供電狀態(tài)還是逆變器供電狀態(tài)，它的工作頻率都是 5OHz，所以這種 UPS 的噪聲較小。 后備式方波輸出 UPS

23、在市電供電和逆變器供電時都采用同一電源變壓器，它的交流輸出相線與零線的位置是固定的，用戶在連接這種 UPS 輸出線的相線和零線時，必須遵守廠家的有關規(guī)定，不能改變其相互關系。 后備式方波輸出 UPS 的產(chǎn)品說明書規(guī)定，它只能連接微型計算機及其外圍設備，不能同其他性質的負載相連。否則，產(chǎn)品的技術性能得不到保證，還有損壞 UPS 的危險。 后備式方波輸出 UPS 不能進行頻繁的關閉和啟動操作。一般要求在關閉 UPS 后至少要等待 6，左石才能再次開啟，否則可能出現(xiàn)既無市電輸出又無逆變器電壓輸出的不正?，F(xiàn)象。 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 9 三 在線式 UPS 對電源要求越

24、來越高的信息設備，采用后備式和互動式 UPS 時其供電的技術指標都不如在線式 UPS。所謂在線式，是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)。在線式 UPS 一般為雙變換結構。所謂雙變換是指 UPS 正常工作時，電能經(jīng)過了 AC/DC、DC/AC 兩次變換后再供給負載。 當然為了提高的可靠性，雙變換大線式 UPS 一般增加了自動旁路電路。小功率采用繼電器轉換便能滿足要求，而大功率一般為采用可控硅（SCR）方式的靜態(tài)開關。功率較大的 UPS在此基礎上還增加了手動旁路（維修開關），用于維修時保證負載繼續(xù)運行。 1雙變換在線式 UPS 1）電路各環(huán)節(jié)功能

25、 當前，絕大多數(shù)在線式 UPS 都采用雙變換電路結構，圖 1-2 為雙變換在線式 UPS 結構圖。 變換器 1：該變換器為 AC/DC 單向變換。當市電存在時，它完成對蓄電池的充電，并通過變換器 2 向負載供電。該變換器多為不可控整流或可控整流電路。 變換器 2：該變換器為 DC/AC 單向逆變。當市電存在時，它由變換器 1 獲得直流電能后再轉換為交流電源；當市電中斷時，由蓄電池通過變換器 2 向負載供電。 旁路開關：平時處在斷開狀態(tài)，當變換電路發(fā)生故障，負載有沖擊性故障（例如啟動負載時）或發(fā)生過載故障時，變換器停止輸出，旁路開關接通，由電網(wǎng)直接向負載供電。旁路開關多為智能型的功率容量很強的無

26、觸點開關。 （2）在線式 UPS 的工作原理 在線式 UPS 的工作原理如圖 1-3 所示。當電網(wǎng)供電正常時，電網(wǎng)輸入的電壓一路經(jīng)過噪聲濾波器去除電網(wǎng)中的高頻干擾，以得到純凈的電壓，然后進入充電器對蓄電池充電；另一路進入整流器進行整流和濾波，并將交流電轉換為平滑直流電供給逆變器，而逆變器又將直流電轉換成 220V、50Hz 的交流電供電負載使用。 另一部分產(chǎn)品把蓄電池直接掛在直流母排上，如圖。通過諧振變換器把市電變成 20kHZ、410V 的高頻高壓正弦波，經(jīng)整流后提供給電池充電及逆變器輸入。 當發(fā)生斷電時，交流電的輸入被切斷，充電器不再工作，但這時蓄電池放電，把能量輸送到逆變器，再由逆變器把

27、直流電轉換為交流電供負載使用。 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 10 圖 1-3 在線式 UPS 工作原理框圖 目前，在線式 UPS 使用得較為普遍。無論市電正常與否，在線式 UPS 的逆變器始終處于工作狀態(tài)。在線式 UPS 可以從根本上完全消除來自市電的任何電壓波動和干擾對負載工作的影響，對電網(wǎng)供電起到“凈化”作用，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電。在線式 UPS 輸出的正弦波的波形失真系數(shù)小，目前一般市售產(chǎn)品的波形失真系數(shù)均在 3%以內。 當市電供電中斷時，UPS 的輸出不需要一個開關轉換時間，因此其負載電能的供應是平滑穩(wěn)定的。在線式 UPS 能實現(xiàn)對負載的真

28、正的不間斷供電，因此從市電供電到市電中斷的過程中，UPS 對負載供電的轉換時間為零。 由于在線式 UPS 工作過程是平時對蓄電池充電，當市電供電中斷或超出 UPS 允許輸入范圍時，再由逆變器將蓄電池的電能逆變成交流電能，因此其電能的轉化過程中有大約 20%的電能損失，而且該過程所產(chǎn)生的熱能又影響周圍蓄電池的壽命和電路的可靠性。 （3）傳統(tǒng)雙變換在線式 UPS 這是一種目前應用歷史最長，認為性能最好的 UPS。它的結構特點是除了具有整流器和逆變器外，還有輸出隔離變壓器。增加隔離變壓器主要原因是：由于過去電力電子器件的限制，缺少高耐壓、大電流的功率器件作逆變器，整流器變換出的直流電壓不能很高，所以

29、逆變器輸出的交流電電壓較低，需要輸出隔離變壓器再進行一次升壓。因其配有輸出隔離變壓器，可以將負載與市電中線進行有效的隔離和緩沖。 它的工作特點是交流市電經(jīng)整流器變?yōu)榉€(wěn)壓直流，經(jīng)過電容濾波后由逆變器變換為純凈 的交流電，再經(jīng)輸出隔離變壓器輸出穩(wěn)定適用的交流電壓供給負載。由于負載功率完全通過 兩個變換器，因此屬于串聯(lián)調整范疇。屬于這種結構的 UPS 有 IMEL、ImvSsiteproFenton、M.G、ElFide(大容量擋)、Sicon 及 SoComec 等，這類 UPS 具有以下特點： 除作單機運行外，還可并聯(lián)增容和冗余，UPS 在多機并聯(lián)時可共用一套蓄電池組或具有各自的蓄電池組； 輸出

30、電壓無三次諧波，對兩個方向上的電壓變化都有緩沖作用； 負載電壓上無直流電流分量，容量可達 5OOkVA 以上； 傳統(tǒng)雙變換在線式 UPS 的拓撲結構如圖 1-4 所示。在圖 1-4 中，AC/DC 采用全波整流濾波電路，整流器可為 SCR 全控整流、半控整流及不控整流。可控硅 (SCR)整流一般用在中、大功率 UPS 中，技術相當成熟。SCR 工作在低頻?？刂坪唵?，運行穩(wěn)定可靠，效率高，整流器造價低。而對于小功率 UPS 來說，則將 220V 交流電直接整流濾波更簡單、更可靠，成本更低。UPS 的穩(wěn)壓功能是由逆變器 DC/AC 來完成。 這種拓撲結構的 UPS 輸入功率因數(shù)低 (一般為 0.7

31、 左右)，輸入電流諧波大 (最大達 30%)，改用 12 相整流 (三相輸入)或加輸入濾波電感，輸入功率因數(shù)可提高到 0.9 左右，諧波電流降到 10%以下。山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 11 UPS 的輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流污染市電電網(wǎng)，以脈動斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流。這種脈動電流在市電電網(wǎng)沿線路阻抗上形成脈動電壓并疊加在電網(wǎng)電壓的正弦波上，造成電壓失真，這就是所謂電力公害，使得同一電網(wǎng)供電的變壓器、電動機等產(chǎn)生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化，高次諧波對通信線路、測量儀器產(chǎn)生輻射干擾并影響電表計量精度。 圖 1-4 傳統(tǒng)雙變換在線式 UPS

32、 的拓撲結構 圖1-4 中蓄電池組通過二極管或可控管與市電整流濾波輸出端并聯(lián)，稱為直流母線 (BuS)。當整流后的電壓低于蓄電池電壓時，則由蓄電池向逆變器提供電能。逆變器的逆變橋一般由 600V 的 IGBT 構成，IGBT 一般工作在 20kHz 左右的 SPWM 狀態(tài)。變壓器 T2 具有電氣隔離、升壓以及采用其漏感達到濾波的作用。也有在 T2 的初級側串接隔直電容的，以防變壓器飽和電流大而損害功率器件。 對于圖 14 所示電路，如想拓寬輸入電壓范圍，可在輸入整流前加一個自動穩(wěn)壓裝置 (AVR)。當三相輸入時，則在輸入端接一個 Y/型工頻變壓器，同樣適用于上述電路。 (4)帶有源功率因數(shù)校正

33、電路的雙變換式 UPS 采用電感等無源功率因數(shù)校正 (Power Factor Correction，)電路的 UPS 體積大，抑制高次諧波效果差。在 UPS 輸入端增加有源功率因數(shù)校正（Active Pwer Factor Correc-tin，APFC）電路，能有效地抑制高次諧波。比較典型的電路拓撲是采用 UC3854 控制升壓式變換器 （Boost）的拓撲，它采用平均電流控制模式，具有較好的校正效果，功率因數(shù)值能達到 0.99，輸入電流諧波 (THD)小于 5%。同時，一般在輸入 160270V 電壓均有較好的穩(wěn)壓效果，也很容易做到輸入 120160V 電壓時 UPS 也能工作，但必須降

34、載使用 (33%50%負載)。 圖 1-5 所示電路中蓄電池組一般采用 30 節(jié)至 36 節(jié) 12V 蓄電池，蓄電池 Boost 升壓與交流 PFC 的輸出電壓一般為直流 380V，供給逆變橋。 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 12 圖 1-5 帶 APFC 的雙變換式 UPS 拓樸結構 圖 1-5 中開關管 S 和二極管 VD5 處于硬開關狀態(tài)。當 S 開通時，電流上升和電壓下降同時進行；S 關斷時，電流下降和電壓上升同時進行，于是存在開關損耗。當開關管硬關斷時，感性元件感應出較高的尖峰電壓，易造成開關管高壓擊穿；二極管由導通變?yōu)榻刂箷r，存在反向恢復時間，易造成直流電源

35、瞬間短路。為了解決上述問題，特別在大功率應用中，采用UC3855 控制的 ZVT(零電壓)-PFC 拓撲結構。(5)雙隔離的雙變換式 UPS 在圖 1-4 和圖 1-5 所示電路拓撲中，當系統(tǒng)處于旁路狀態(tài)時，輸入電壓的干擾直接傳輸給了輸出。圖 1-6 所示的電路拓撲采用雙隔離變壓器，可以徹底隔離逆變和旁路輸入干擾對輸出的影響，同時可以使輸出的零地 (N、G)電壓低于 lV，在計算機網(wǎng)絡中可以減小傳輸誤碼率和提高傳輸速度。但雙隔離變壓器的增加會導致 UPS 重量的增加和成本的提高。因此許多廠家把隔離變壓器作為可選件供用戶選用。 圖 1-6 雙隔離的雙變換式 UPS 拓樸結構 2.在線式正弦波輸出

36、 UPS 的特點 在線式正弦波輸出 UPS 主要具有以下特點： 由于在線式 UPS 無論是在市電正常時還是在市電中斷，由機內蓄電池向逆變器供電期間，它對負載的供電均是由 UPS 的逆變器的逆變器提供的。正因為如此，這就從根本上消除了來自市電電網(wǎng)的任何電壓波動和干擾對負載工作的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾穩(wěn)壓供電。這顯然不是任何一種抗干擾交流穩(wěn)壓電源所能解決的。當市電電壓變化范圍為 180250V 時，它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達 220V3%，正弦波的工作頻率穩(wěn)定范圍為 50Hz1%. 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 13 在線式 UPS 輸出正弦波的波形失真系數(shù)最小，一般

37、小于 3%。 市電中斷時在線式 UPS 能真正實現(xiàn)對負載的不間斷供電。在線式 UPS 都是由逆變器向負載供電的。其對負載供電的轉換時間為零。 在線式 UPS 同后備式 UPS 相比，具有優(yōu)良的輸出電壓瞬變特性。一般在 100%負載加載或 100%負載減載時，它的輸出電壓變化范圍為 1%左右，這種變化的持續(xù)時間一般為 13 周波。 在線式 UPS 一般采用 20kHz 以上的 PWM 技術，其噪聲較小，約為 5OdB。 在線式 UPS 的控制電路中，采用了輸入變壓器、輸出變壓器及光電藕合器件等，將“強電”驅動部分與“弱電”控制線路部分從電的角度隔離開來，因而電路的可靠性得到了極大的提高。這種 U

38、PS 的故障率一般都很低。 四 在線互動式 UPS 在線互動式 UPS 有時被稱為“準在線”輸出 UPS。在市電正常時，在線互動式 UPS 供給負載的是改善了的市電；市電故障時，負載完全由蓄電池提供的能量經(jīng)逆變器變換后供電。在線互動式 UPS 中有一個雙向變換器 (Bidlrec-tionalConverter)，既可以當逆變器使用，又可作為充電器。所謂互動式就是指電源根據(jù)輸入市電情況通過升降壓或逆變實時調整電壓輸出。 圖 1-9 給出了一種在線互動式 UPS 的典型拓樸。 圖 1-9 在線式互動式 UPS 典型拓樸 （1） 電路各環(huán)節(jié)功能 輸入開關：當市電中斷（指電網(wǎng)失壓）時，斷開開關，防止

39、逆變器向電網(wǎng)饋電。 智能調壓：當市電存在時，可調節(jié) UPS 的輸出電壓（由智能開關調節(jié)變壓器抽頭完成輸出電壓的調整。） 變換器：此變換器為雙向變換方式。當市電存在時，變換方向是 AC/DC，給蓄電池充電并浮充；市電掉電后，變換方向為 DC/AC，由蓄電池供電，保持 UPS 繼續(xù)向負載供電。 圖 19 中交流輸入端 LiN 為第一端口，雙向變換器繞組 78 為第二端口，輸出電壓端 LoN 為第三端口。當輸入市電在規(guī)定范圍內變化時，UPS 通過調整變壓器的抽頭來大致穩(wěn)定電壓。當需要進行抽頭調整時，首先啟動雙向變換器，使其處于逆變工作狀態(tài)，再進行抽頭換接，待抽頭換接完畢后，停止雙向變換器的逆變工作狀

40、態(tài)，進入充電狀態(tài)，這時輸山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 14 出由市電供電。如果需要對輸入、輸出進行電氣隔離，則可改變壓器自耦式為隔離式。這種拓樸與雙變換式相比，由于沒有經(jīng)過兩次變換，其功率損失明顯低于雙變換機，因而效率高，可達 95%以上，在市電供電時過載能力可達 200%。不帶 PFC 的雙變模式 UPS 由于采用可控硅（或二極管）整流，即使負載為線性負載，也會對市電產(chǎn)生較強的諧波電流，但互動式 UPS 在帶線性負載時不會對市電產(chǎn)生污染。這種拓樸的缺點是： 在市電供電時，輸入電壓只是幅度有所改善，而輸入的失真、干擾等傳遞給了輸出； 動態(tài)性能不好，在輸入電壓或負載電流突

41、變時，輸出電壓突變較大，恢復到新穩(wěn)態(tài)所需時間長； 穩(wěn)壓精度較差，對電網(wǎng)適應范圍窄，如要提高精度和擴大適應范圍。則必須增加變壓器抽頭的個數(shù)； UPS 的輸入功率因數(shù)由負載決定，如帶計算機等整流性負載時，其輸入功率因數(shù)也只有 0.7 左右； 當雙向變換器作為充電器使用時，其充電電壓和電流不可控，大大地降低了蓄電池的使用壽命。 五串并聯(lián)調整式 UPS 調整式 UPS 在在線互動的基礎上進行了重大改進，采用雙向逆變器代替調壓穩(wěn)壓器，產(chǎn)生既有串聯(lián)調整又有并聯(lián)調整的雙重調整結構。 Delta 變換型 UPS 的工作原理 圖 1-10 是 Delta 變換型 UPS 的結構圖。Delta 變換器是一個正弦波

42、電流源，串接在主電路中，它的功能是提供正弦波電流，監(jiān)控蓄電池組的充電電平，調整輸入功率因數(shù)，以及補償市電電壓與輸出電壓之間的差值U。從電路結構上講，它是一個雙向變換器，逆變時輸出功率，在主電路中對輸入電壓進行補償；整流時吸收功率，對輸入電壓進行補償。 該拓樸一般應用在三相大功率 UPS 中，這種雙變換電路拓樸把交流穩(wěn)壓技術中的電壓補償原理應用到 UPS 的主電路拓樸中。在主調壓的基礎上，再疊加一個可大可小、可正可負的電壓，來彌補 UPS 輸出電壓與輸入市電的差異，使 UPS 拓寬了市電輸入范圍。提高了輸出穩(wěn)壓精度。 圖 1-10 Delta 變換型 UPS 的結構圖 山特ups電源： 第 3

43、章 交流不間斷電源 UPS 15 （1）Delta 變換器 它是一組 DC/AC 和 AC/DC 雙向變換器，它的輸出變壓器的副邊串聯(lián)在 UPS 主電路中，其作用有三個： 對 UPS 輸入端進行輸入功率因數(shù)補償，使輸入功率因數(shù)等于 1，輸入諧波電流降到 3%以下。 當市電存在時，與主變換器一起完成對輸入電壓的補償：當輸入電壓高于輸出電壓額定值時，Delta 變換器吸收功率，反極性補償輸入、輸出電壓的差值；當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，Delta 變換器輸出功率，正極性補償輸入、輸出電壓的差值，是串聯(lián)補償。變換器承擔的最大功率（當輸入電壓處于上限和下限時）僅為；輸出功率的 20%（相當于輸入電

44、壓變化范圍），所以功率強度很小（最大有功功率僅為輸出功率的 1/5 左右），功率余量大，這就大大增強了 UPS 的輸出能力。與雙變換在線式 UPS 相比，過載能力得到了增強（200%，1min），不再對負載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對付沖擊性負載，也不再對負載功率因數(shù)進行限制，輸出有功功率可以等于標定的 kVA 值。 與主變換器一起完成對蓄電池的充電和浮充功能。 （2）主變換器 該變換器同樣是 DC/AC 和 AC/DC 雙向變換器，它的功能有四個： 同 Delta 變換器一起完成對輸入、輸出電壓差值的補償； 同 Delta 變換器一起完成對蓄電池的充電和電壓浮充功能； 隨時檢測輸出電壓，

45、保證輸出電壓的穩(wěn)定（是個電壓源），并對負載電流諧波成分進行補償，使其不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響（屬于并聯(lián)補償）； 當市電中斷時，全部輸出功率由主變換器給出，并且保證輸出電壓不間斷，輪換時間為零，當負載電流發(fā)生畸變時，也由主變換器調整補償?shù)?。在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大有功功率僅為輸出功率的 1/5 左右，所以元器乃至整機的壽命可靠性必然大幅度提高。整機效率在很大的功率范圍內都可達到 96%。 （3）串并聯(lián)調整結構 UPS 的缺陷 在市電存在時，Delta 變換器承擔的最大有功功率為額定功率的 20%左右，但兩個變換器承擔的無功功率可能為輸出功率的一倍。 效率是個可變量，只有市電輸入為額定值，負

46、載為線性負載時，效率才達到最高值。 盡管輸入由兩只可控硅隔離，當輸入停電甚至出現(xiàn)短路時，相當于 Delta 變換器的負載出現(xiàn)過載或短路，將會斷電，Delta 變換器將進入保護狀態(tài)。若保護失效，則故障將是毀滅性的。事實上，電網(wǎng)停電或短路時有發(fā)生，相比之下雙變換式 UPS 卻不會出現(xiàn)此現(xiàn)象。 Delta 變換型 UPS 雖然也是一種雙變換電路，但不同于傳統(tǒng)雙變換型 UPS。傳統(tǒng)型 UPS中兩個變換器的工作是不可逆的，即第一個變換器只管整流，第二個變換器只管逆變。而圖1-10 中兩個變換器都是可逆工作的，兩個變換器隨時交替工作在整流和逆變狀態(tài)下，在 PWM山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源

47、 UPS 16 控制下經(jīng) LC 濾波后取平均值。整流寬度大于逆變寬度時，平均值效果是給出功率，反之是吸收功率。 第三節(jié) UPS 冗余供電 任何設備總有出故障的的時候，為進一步提高整個電源系統(tǒng)的可靠性，需要采用冗余供電方案。目前，應用最為廣泛的冗余供電方式有主備冗余供電方式和全冗余并聯(lián)方式。在討論冗余供電之前，首先應了解在線式 UPS 的四種工作狀態(tài)。 （1）市電正常 在正常工作狀態(tài)下，由市電提供能量，整流器將交流電轉化為直流電，逆變器將經(jīng)整流后的直流電轉化為純凈的交流電并提供給負載，同時充電器對蓄電池組浮充電。 （2） 市電異常 在市電斷電或者輸入市電的電壓或頻率超出允許范圍時，整流器自動關閉

48、。此時，由蓄電池組提供的直流電經(jīng)逆變器轉化為純凈的交流電并提供給負載。 (3)市電恢復正常 當市電恢復到正常后，整流器重新提供經(jīng)整流后的直流電給逆變器，同時由充電器對蓄電池組充電。 (4)旁路狀態(tài) 靜態(tài)旁路是 UPS 系統(tǒng)的重要組成部分，在下列兩種情況下 UPS 處于旁路。 當負載超載、短路 (實際上可以看成是一種嚴重的超載)或者逆變器故障時，為了保證不中斷對負載的供電，靜態(tài)旁路開關動作，由市電直接向負載供電。 維修或測試時，為了安全操作，將維修旁路開關閉合，由市電直接向負載供電。把 UPS系統(tǒng)隔離，這種切換可保證在 UPS 檢修或測試時對負載的不間斷供電。 一 UPS 的熱備份連接 熱備份連

49、接是指當單臺 UPS 不能滿足用戶提出的供電可靠性要求時，就需要再接入一臺同規(guī)格的單機來提高可靠性。任何具有旁路環(huán)節(jié)的 UPS 都可以進行熱備份連接，這種連接非常簡單，當把 UPS1 作為主輸出電源而把 USP2 作為備用機時，只需將備用機 UPS2 的輸出與UPS1 的旁路輸入端相連就可以了，不過此時 UPS1 的旁路輸入端一定要與其輸入端斷開。在正常情況下，由 UPSl 向負載供電，而 UPS2 處于熱備份狀態(tài)空載運行；當 UPSl 故障時，UPS2投入運行，接替 UPSl 繼續(xù)向負載供電。只有當 UPS2 過載或逆變器故障時，才閉合 UPS2 的旁路開關，負載轉為由市電供電。為節(jié)約投資，

50、還可以采用 N+1 多機主備冗余供電，即二臺以上的主機 UPS 的旁路開關一起連接到備機 UPS 的輸出上。 山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 17 兩臺熱備份連接的 UPS 系統(tǒng)可靠性比單臺 UPS 的可靠性提高了兩個數(shù)量級，并且這種系統(tǒng)的連接方式簡單易行，即使是不同品牌的機器，只要規(guī)格、容量相同，就可連接，不需再增加另外的設備。若兩臺不同容量的 UPS 相連，其容量只能按最小的那一臺計算。 單臺 UPS 處于旁路工作狀態(tài)時，負載不受 UPS 保護。此時，如果發(fā)生交流電中斷、過壓等故障，就將造成負載電源供應中斷或設備損壞。因此，很自然想到用一臺 UPS 的輸出作為另一臺

51、UPS 主機的靜態(tài)旁路電源，這就是雙機主備冗余供電，也叫雙機串聯(lián)冗余供電，如圖2-1 所示。 (1)工作原理簡述 正常情況下，負載的工作電源由 UPS 主機的逆變器提供，備機處于空載運行狀態(tài)。 UPS1 主機故障時，主機轉為旁路供電，此時 UPS2 備機的逆變器輸出通過主機靜態(tài)旁路開關供給負載電源。UPS 主機故障轉為旁路在毫微秒的時間內完成，不會產(chǎn)生負載電源中斷。 備機故障時，備機轉為旁路。此時主機的靜態(tài)旁路輸入的不再是備機的逆變器輸出，而是交流電經(jīng)過備機的靜態(tài)旁路開關供給，此時相當于主機單機工作。 UP 主、備機同時故障時，UPS 主、備機同時轉為旁路工作，交流電經(jīng)過備機的靜態(tài)旁路開關，再

52、經(jīng)主機的靜態(tài)旁路開關供給負載電源。當然，UPS 主、備機同時故障的可能性極小。 (2)優(yōu)點 安裝方便，易于實現(xiàn)。只要 UPS 主機具有獨立的靜態(tài)旁路輸入口，就可以很容易地實現(xiàn) UPS 主、備機冗余供電，甚至是不同型號、不同品牌的 UPS，都可以很方便地組成雙機冗余供電。 可靠性高。系統(tǒng)調試時，只要將 UPS 主、備機的輸出電壓調整一致即可。根據(jù)實際經(jīng)驗，UPS 雙機主、備冗余供電的可靠性高于雙機并聯(lián)冗余供電。 (3)缺點 雙機冗余提高了 UPS 電源供電系統(tǒng)的可靠性，但存在以下一些缺點。 主 UPS 本身發(fā)生故障時，可能無法切換而造成輸出中斷。當主 UPS 內部電源板或電源模塊發(fā)生故障時，主

53、UPS 會立即停止工作，輸出中斷。此時，主 UPS 也不可能再從靜態(tài)開關轉向旁路，這時即使從 UPS 是好的也無濟于事，整個計算機系統(tǒng)的供電將被中斷。當主 UPS控制電路出現(xiàn)問題后，在逆變器燒毀的瞬間 (此時不滿足切換條件)及出現(xiàn)一些其他原因時，也可能會出現(xiàn)靜態(tài)開關不切換而造成供電中斷的現(xiàn)象。 切換瞬時輸出出現(xiàn)間斷。UPS 供電系統(tǒng)為保證輸出波形連續(xù)，采用先合后斷技術，即旁路通過靜態(tài)開關與逆變器輸出有一疊加過程以保證輸出無間斷，但這兩路電壓必須保證頻山特ups電源： 第 3 章 交流不間斷電源 UPS 18 率、相位相幅值完全一致，否則將有可能造成切換過程申輸出的不連續(xù)。在頻率正常的情況下，主

54、 UPS 為帶載工況，從 UPS 為空載。而在電網(wǎng)頻率偏離 UPS 跟蹤頻率范圍時， UPS 將啟動自身晶體振蕩器，由于兩臺 UPS 為獨立系統(tǒng)，無法進行 “鎖相”跟蹤，如在此時發(fā)生切換過程，輸出波形將會有更大的輸出間斷時間。特別是在主 UPS 逆變器發(fā)生故障，強行切換時，由于無法進行正常跟蹤，將有可能出現(xiàn)較大的間斷時間，甚至切換失敗。 在雙機主備冗余方式的供電系統(tǒng)中，增加了兩個公共故障點。一旦主 UPS 靜態(tài)開關出現(xiàn)故障，此時又要求切換，則會造成負載供電中斷。發(fā)生過載時，主、從 UPS 將依次轉旁路，這時 UPS 的靜態(tài)開關如出現(xiàn)問題，也將造成輸出中斷。 設備使用效率低。在整個供電過程中，始終有