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1、小功率UPS供电系统设计方案第一章 小功率UPS供电系统设计简介 UPS是一种向负载提供不间断、优质、高效、可靠的交流电能的重要外部设备，并且具有保护和检测监控功能的供电设备，对于计算机及其网络、通信、金融、电力、交通、国防及高等院校、科研院所等部门的供电起着关键的作用。1.1 简介不间断电源是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。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 立即将机内电池
2、的电能，通过逆变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设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。 不间断电源工作原理框图 UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。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功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小
3、，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与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 在电网电压工作正常时，给负载供电如所示，而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，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。 UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小
4、取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70%的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，这个时间因各企业情况不同而不同，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。1.2 设计目的有的时候，正在写一段文章，或者编一个程序，或者在用画笔画一幅画，突然屏幕一下子黑了停电了。哎，里面的东西都不见了，白干了半天，连存盘的机会都没有。要是搞科研的科学家也遇到这样的情况，损失就更大了。能不能想个办法，使电脑继续工作，或者在市电停止的时候，机器能在短时间内保持一段时间的电，使人们有机会把已经干
5、完的工作存盘，以便下一次接着工作呢？办法一，买一台发电机，这种方法对于一般用户来说是比较困难的；办法二，买一台UPS，这个方法较为容易实现。据IDC统计，全部电脑故障的45%是由电源问题引起的；在中国，大城市停电的次数平均为0.5次/月，中等城市为2次/月，小城市或村镇为4次/月，电网存在至少九种问题：断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰；因此从改善电源质量的角度来说给电脑配备一台UPS是十分必要的。另外，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
6、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。综上所述，设计一个小功率UPS供电系统，来满足对电能质量非严格要求的供电场所如个人家庭用户等的不间断供电需求是非常有必要的。1.3 设计要求 主要研究小功率UPS的设计原理及简单设计，设计方案采用UPS后备式工作状态，对非严格要求的供电场所提供较为优质的不间断电源系统，防止突然断电而影响正常工作或是给机器造成损害，论文着重对UPS供电设计方案中的整流滤波电路部分、逆变电路部分、蓄电池部分进行介绍和分析，对该UPS小功率的供电系统进行简单的介绍，包括其功能、用途、工作方式等，根据已掌握的知识对小功率UPS供电系统的原理进行
7、分析和简单设计，并且能满足非严格要求的供电场所不间断供电的要求，通过针对UPS的各不同工作方式进行比较分析，并根据设计要求进行方案设计，其电路主要参数：输入电压：单相 220V20%；输入频率：50Hz5% ；输出电压：220V；输出频率：50Hz。第2章 UPS电源分析2.1 UPS电源发展历史 最早的UPS现在看起来是个非常古怪的东西：采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮的电动机发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，市电停电后该发电机可以维持正常供电数秒钟。现代的逆变式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲，它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率
8、到大功率、从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。随着蓄电池和半导体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的立分元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如软件滤波器；甚至光纤通讯也被引入UPS，而且，微处理机也已被广泛应用于小容量的UPS中，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。 随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的UPS不再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心，UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多种新技术， UPS不仅是
9、提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备在无人值守时，当市电故障后，UPS可以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的UPS与服务器上的软件协同工作，还能实现事件记录、故障告警、UPS参数自动测试分析、调节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。现在有些UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。 UPS的智能化还表现在加强UPS的节能功能即所谓“绿色UPS”上。“绿色UPS”可以减少PC系统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时，UPS可以马上给打印机恢复供电
10、，随着“绿色UPS”的出现，为节约能源又提供了理想的解决方案。2.2 UPS电源工作原理 UPS电源主要由主机及蓄电池、电池柜等组成，分为在线式、后备式及在线互动式等多种，根据频率分高频机和工频机，它在机器有电工作时，就将市电交流电整流，并储存在自己的电源中，一旦停止供电，它就能提供电源，使用电设备维持一段工作时间，保持时间可能是10分钟、半小时等，延时时间一般由蓄电池的容量决定。 高可靠性不间断供电保证动力的连续性 电网稳压、净化功能消除电网波动、污染 电池管理功能 延长电池使用寿命 智能监控功能 有效解决电源维护功能UPS 的电路结构形式多种多样，各种结构形式UPS的出现和电路技术水平、半
11、导体器件的发展水平以实际应用的需要等因素有密切的关系。技术不断进步、电路结构不断更新和完善以及多种电路结构形式并存，各不同电路结构形式的UPS都有各自的优点及应用场合，当前市场上普遍应用的主流UPS是静止变换型UPS，包括后备式、在线互动式、在线式，以下对这几种电路形式的UPS的电路结构特点、工作方式、主要电性能指标和应用对象做简单说明。 在线式在线式UPS（On-Line UPS）的运作模式为“市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备”，而是到了UPS就被转换成直流电，再兵分两路，一路为电池充电，另一路则转回交流电，供电给用电设备，市电供电品质不稳或停电时，电池从充电转为供电，直到
12、市电恢复正常才转回充电，“UPS在用电的整个过程是全程介入的”。其优点是输出的波型和市电一样是正弦波，而且纯净无杂讯，不受市电不稳定的影响，可供电给“电感型负载”，例如电风扇，只要在UPS输出功率足够的前题下，可以供电给任何使用市电的设备。性能特点： 市电正常时，工作效率极高，可达98%以上； 输入功率因数和输入电流谐波成分取决于负载性质，它本身不对电网附加谐波干扰； 输出能力强，适应各种阻抗性质的负载，对负载电流波峰系数、浪涌系数、输出功率因数和过载能力等没有严格要求； 输出电压精度和稳定度均差，但能满足一般负载的供电要求； 逆变器直接接在UPS输出端，并处于热备份状态，对输出电压尖峰干扰有
13、一定的抑制作用； 电路简单、成本低、可靠性高； 变换器同时具有充电功能，且其充电能力很强； 因为输入开关存在断开时间，所以UPS输出仍有转换时间，但比后备式要短，一般为46ms。 后备式 后备式又称为非在线式不间断电源（Off-Line UPS），它只是“备援”性质的UPS，市电直接供电给用电设备也为电池充电（Normal Mode），一旦市电供电品质不稳或停电了，市电的回路会自动切断，电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务（Battery Mode），直到市电恢复正常，“UPS只有在市电停电了才会介入供电”，不过从直流电转换的交流电是方波，只限于供电给电容型负载，如电脑和监视器。后备式U
14、PS是静止型UPS的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只应用于小功率供电的范围，其特点是电路简单，可靠性高，价格低廉，电性能指标能满足一般负载要求。对于计算机负载输入开关电源而言，方波和准正弦波都是可用的。因为开关电源的输入电路是整流滤波电路，只要方波和准正弦波电压的幅值接近正弦波电压的峰值，那么这两种波形整流后的直流电压都是一样的。市电正弦波的三个重要参数是频率、峰值和有效值，准正弦波的这三个参数可以做到与正弦波电压完全相同，对于计算机输入开关电源而言，它无异于真正的正弦波。在正弦波输出电压和准正弦波输出电压所形成的输出电流波形的面积一样的情况下，正弦波输出时的输出电流幅值高而时间短，准正弦
15、波输出时的电流幅值小而时间长。再者，准正弦波输出时的逆变器工作在低频状态，而正弦波输出逆变器工作在高频状态，所以相对于正弦波输出，准正弦波输出使UPS逆变器的控制电路简单易行，对逆变器开关器件的性能要求低，逆变效率和可靠性都高一些。性能特点： 市电正常时，工作效率极高，可达98%以上； 输入功率因数和输入电流谐波成分取决于负载性质，它本身不对电网附加谐波干扰； 输出能力强，适应各种阻抗性质的负载，对负载电流波峰系数、浪涌系数、输出功率因数和过载能力等没有严格限制； 输出电压精度和稳定度均差，但能满足一般负载的供电要求； 抗高频干扰的功能主要靠输出、输入端设置的高频滤波器； 市电掉电后，电池逆变输出电压多为方波或准正弦波；市电掉电时输出电压切换时间取决于继电器转换开关的动作时间，一般为410ms； 输出转换开关受切换电流能力和动作时间限制，一般的后备式UPS输出功率多在2KVA以下； 电路简单，可靠性高，价格低廉。 第三章 小功率UPS供电系统方案设计对比上述两种UPS工作方式及主要电性能指标、应用对象的说明和比较，根据设计要求和目的，基于后备式的各个性能特点及价格方面在小功率的应用场合优于在线式，故设计采用UPS后备式工作方式。以下对后备式供电系统中几个主要电路及技术进行分析和介绍。3.1整流滤波电路部分在UPS中，输入电路的第一个环节就是整流器
