UPS的内部接线及工作原理

UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司12020年7月1日2014年6月16日UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司2020年7月1日第一部分：概述1.1定义UPS（UninterruptiblePower），即不间断电源，是将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供稳定、不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变零切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。2UPS的内部接线及工作原理1.2UPS电源的分类按电路主结构分为四大类1）后备式UPS;2）在线式UPS；3）串并联调整式UPS；4）在线互动式UPS。新疆寰球工程公司2020年7月1日3UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司42014年4月2日按后备时间分类：标准机和长效机（1）标准机：配备有内置蓄电池组的UPS称为标准机。一般配置蓄电池容量较小，用于短时间供电（如5-15分钟），使用户及时保存数据和系统正常关机。由于受体积和重量的限制，标准机仅局限于中、小功率的UPS。（2）长效机：需外接蓄电池组的UPS称为长效机，长效机的容量从几百伏安到几十千伏安可供选择。在实际应用中长效机有着很大的机动性，用户可以根据自己所需后备时间的长短来确定采用何种容量的蓄电池。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司52020年7月1日1.3主要组成部分其中（1）整流器整流器把交流电能变为直流电能，为逆变器和蓄电池提供能量，其性能的优劣直接影响UPS的输入指标。①可控硅整流器可控硅整流器输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大，噪声大，适用于输入电压低、功率大的UPS。②二极管与绝缘栅双极晶体管(IGBT)组合型整流器二极管与IGBT组合型整流器的工作频率高，具有功率因数校正功能，滤波器体积小，嗓声低，可靠性高，适用于中小功率UPS。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司62020年7月1日（2）逆变器逆变器用以把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能，其性能的优劣直接影响UPS的输出性能指标。IGBT逆变器工作频率高(2OkHz)，滤波器体积小，噪声低，可靠性高。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司72020年7月1日（3）旁路开关旁路开关是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的，能承受负载的瞬时过载或短路电流。因UPS的逆变器采用电子器件，如IGBT管的过载能力仅为125%，当UPS供电系统出现过载或短路故障时，UPS将自动切换到旁路，以保护UPS的逆变器不会因过载而损坏。UPS供电系统转入旁路供电后，是由市电直接供给负载的，因市电的系统容量大可提供足够的时间使过载或短路回路的断路器跳闸，待系统切除过载或短路回路后，旁路开关将自动转换回来，由UPS继续向其他负载供电。旁路开关可分为以下几种。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司82020年7月1日①静态旁路开关静态旁路开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。所谓电子式静态转换开关，是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来，作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件。由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，同小型继电器毫秒级的转换时间相比，它只是小型继电器的千分之一左右。因此，依靠这种先进技术，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。正常工作时，只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道中的一路电源向负载供电。只有当UPS需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时，才会出现短暂的(约几毫秒至几十毫秒)两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。静态开关可以将转换时间缩短到lms以下，甚至1OOus以内，但损耗较大。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司92020年7月1日②动态旁路开关动态旁路开关为有触点开关，由接触器和断路器构成，靠机械动作完成转换，动态开关转换过程会有几十毫秒的供电中断，故不能应用于重要的负载场合，现代的UPS己很少采用。(4)蓄电池蓄电池用以为UPS提供一定后备时间的电能输出。在市电正常时，由充电器为其提供电能并转换为化学能；在市电中断时，其将化学能再转换为电能，为逆变器提供能量。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司102020年7月1日(5)隔离变压器在ups电源供电系统中之所以要配置隔离变压器，有些是ups电源设备本身要求的，隔离变压器是ups电源电路的一个重要的组成部分；有的是为了改善系统供电质而设置的；还有的是为了电网与负载设备的电压置式之间的匹配而设置的。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司112020年7月1日第二部分：UPS的工作原理及特点2.1后备式UPS特点：结构简单、价格便宜、噪声低，但绝大部分时间，负载得到的是稍加稳压处理过的“低质量”正弦波电源。转换时间长，后备式UPS的逆变器不是经常工作的，因此不易掌握逆变器的动态状况，容易形成隐性故障。适合不太重要的单台PC机使用。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司122020年7月1日工作原理为：当市电电正常时（电网电压在UPS输入电压变化范围内），一路市电通过整流器对蓄电池进行充电，而另一路市电通过自动稳压器初步稳压，吸收部分电网干扰后，再由旁路转换开关直接提供给用户。此时，蓄电池处在充电状态，直到蓄电池充满而转人浮充状态。当电网电压或电网频率超出UPS的输入范围时，即在非正常的情况下，交流电的输入被切断，充电器停止工作，蓄电池进行放电，在控制电路的控制下逆变器开始工作，使逆变器产生220V、50Hz的交流电，此时UPS供电系统转换为由蓄电池一逆变器继续向负载供电。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司132020年7月1日后备式正弦波输出UPS的主要特点①输出波形失真系数小于5%。当负载过轻时，其波形失真系数将有所增大，因此这种UPS的负载需达到其额定值的30%以上。②控制电路采用了5OHz市电同步技术，在一定程度上解决了市电一逆变器之间供电转换时的交流电同步问题。目前转换时间大约为4ms。其转换时间决定了它对负载大约有4ms的供电中断，小于微型计算机允许的中断值lOms。③处于市电供电状态时，由于市电是直接通过抗干扰滤波器对负载供电的，因此噪声较小；处于逆变器工作状态时，由于脉宽调制频率为8kHz，因此噪声偏大，一般在55dB左右。④市电或逆变器供电时均采用同一电源变压器，其交流输出端的相线与零线的位置是固定的。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司142020年7月1日2.2在线式UPSUPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司152020年7月1日工作原理及特点：不管电网电压是否正常，负载所用的交流电压都要经过逆变电路，即逆变电路始终处于工作状态。在线式UPS一般为双变换结构。所谓双变换是指UPS正常工作时，电能经过了AC/DC、DC/AC两次变换后再供给负载。当然为了提高的可靠性，双变换大线式UPS一般增加了自动旁路电路。小功率采用继电器转换便能满足要求，而大功率一般为采用可控硅（SCR）方式的静态开关。功率较大的UPS在此基础上还增加了手动旁路（维修开关），用于维修时保证负载继续运行。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司162020年7月1日在线式UPS真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电。在线式UPS输出的正弦波的波形失真系数小，目前一般市售产品的波形失真系数均在3%以内。当市电供电中断时，UPS的输出不需要一个开关转换时间，因此其负载电能的供应是平滑稳定的。在线式UPS能实现对负载的真正的不间断供电，因此从市电供电到市电中断的过程中，UPS对负载供电的转换时间为零。由于在线式UPS工作过程是平时对蓄电池充电，当市电供电中断或超出UPS允许输入范围时，再由逆变器将蓄电池的电能逆变成交流电能，因此其电能的转化过程中有大约20%的电能损失，而且该过程所产生的热能又影响周围蓄电池的寿命和电路的可靠性。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司172020年7月1日传统双变换在线式UPS这是一种目前应用历史最长，认为性能最好的UPS。它的结构特点是除了具有整流器和逆变器外，还有输出隔离变压器。增加隔离变压器主要原因是：由于过去电力电子器件的限制，缺少高耐压、大电流的功率器件作逆变器，整流器变换出的直流电压不能很高，所以逆变器输出的交流电电压较低，需要输出隔离变压器再进行一次升压。因其配有输出隔离变压器，可以将负载与市电中线进行有效的隔离和缓冲。它的工作特点是交流市电经整流器变为稳压直流，经过电容滤波后由逆变器变换为纯净的交流电，再经输出隔离变压器输出稳定适用的交流电压供给负载。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司182020年7月1日2.3在线互动式UPSUPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司192020年7月1日工作原理及特点：在线互动式UPS有时被称为“准在线”输出UPS。在市电正常时，在线互动式UPS供给负载的是改善了的市电；市电故障时，负载完全由蓄电池提供的能量经逆变器变换后供电。在线互动式UPS中有一个双向，既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓互动式就是指电源根据输入市电情况通过升降压或逆变实时调整电压输出。在线互动式UPS与双变换式相比，由于没有经过两次变换，其功率损失明显低于双变换机，因而效率高，可达95%以上，在市电供电时过载能力可达200%。不带PFC的双变模式UPS由于采用可控硅（或二极管）整流，即使负载为线性负载，也会对市电产生较强的谐波电流，但互动式UPS在带线性负载时不会对市电产生污染。这种拓朴的缺点是：UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司202020年7月1日①在市电供电时，输入电压只是幅度有所改善，而输入的失真、干扰等传递给了输出；②动态性能不好，在输入电压或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到新稳态所需时间长；③稳压精度较差，对电网适应范围窄，如要提高精度和扩大适应范围。则必须增加变压器抽头的个数；④UPS的输入功率因数由负载决定，如带计算机等整流性负载时，其输入功率因数也只有0.7左右；⑤当双向变换器作为充电器使用时，其充电电压和电流不可控，大大地降低了蓄电池的使用寿命。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司212020年7月1日2.4串并联调整式UPS串并联调整式UPS多采用双逆变电压补偿技术也称为Delta技术，它成功地将交流稳压技术中的电压补偿原理运用到UPS的主电路中。Delta变换型UPS的结构图UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司222020年7月1日工作原理及特点：Delta变换器是一个正弦波电流源，串接在主电路中，它的功能是提供正弦波电流，监控蓄电池组的充电电平，调整输入功率因数，以及补偿市电电压与输出电压之间的差值△U。从电路结构上讲，它是一个双向变换器，逆变时输出功率，在主电路中对输入电压进行补偿；整流时吸收功率，对输入电压进行补偿。该拓朴一般应用在三相大功率UPS中，这种双变换电路拓朴把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到UPS的主电路拓朴中。在主调压的基础上，再叠加一个可大可小、可正可负的电压，来弥补UPS输出电压与输入市电的差异，使UPS拓宽了市电输入范围。提高了输出稳压精度。UPS的内部接线及工作原理新疆寰球工程公司232020年7月1日（1）Delta变换器它是一组DC/AC和AC/DC双向变换器，它的输出变压器的副边串联在UPS主电路中，其作用有三个：①对UPS输入端进行输入功率因数补偿，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。②当市电存在时，与主变换器一起完成对输入电压的补偿：当输入电压高于输出电压额定值时，Delta变换器吸收功率，反极性补偿输入、输出电压的差值；当输入电压