UPS的基本组成及工作原理课件

UPS UPS UPS UPS的基本组的基本组的基本组的基本组成及工作原理成及工作原理成及工作原理成及工作原理通信电源通信电源2022/10/72 UPS的基本组成及工作原理的基本组成及工作原理 1.1 UPS的基本组成的基本组成UPS由由输入整流滤波电路输入整流滤波电路、功率因数校正电路功率因数校正电路、蓄电池组蓄电池组、充电电路充电电路、逆变电路逆变电路、静态静态开关电路开关电路、控制监测显示控制监测显示及及保护电路等组成保护电路等组成。逆变器逆变器是是UPS电源的核心设备电源的核心设备整流模块整流模块为能量变换设备（为能量变换设备（AC/DC），逆变器也是能量变换设备（），逆变器也是能量变换设备（DC/AC）蓄电池蓄电池为储能设备为储能设备输入整流滤波电路输入整流滤波电路UPS中中，常常用用的的整整流流电电路路有有单单相相不不可可控控和和可可控控整整流流电电路路、三三相相不不可可控控和和可可控控整整流流电电路路。滤滤波波器器可分为可分为电容输入电容输入或或电感输入电感输入两种。两种。功率因数校正电路功率因数校正电路UPS中中，市市电电经经整整流流后后采采用用大大容容量量电电容容器器进进行行滤滤波波而而且且整整流流电电路路输输出出端端还还并并联联有有蓄蓄电电池池。在在电电容容器器或或蓄蓄电电池池充充电电期期间间将将形形成成脉脉冲冲电电流流。该该电电流流峰峰值值很很高高，产产生生高高次次谐谐波波电电流流并并导导致致功功率率因因数数下下降降，功率因数校正电路可使电网输入电流变为与输入电压同相位的正弦波。功率因数校正电路可使电网输入电流变为与输入电压同相位的正弦波。2022/10/73蓄电池组蓄电池组蓄蓄电电池池组组是是UPS的的蓄蓄能能设设备备。市市电电正正常常时时，蓄蓄电电池池充充电电，将将电电能能转转化化为为化化学学能能并并储储存存起起来来。市市电电中断时，中断时，UPS蓄电池中的电量维持逆变器工作。蓄电池中的电量维持逆变器工作。目目前前中中小小型型UPS中中广广泛泛使使用用阀阀控控铅铅酸酸蓄蓄电电池池。长长延延时时(4h或或8h)UPS中中，蓄蓄电电池池的的成成本本甚甚至至超超过过主主机的成本。机的成本。充电电路充电电路UPS中中，一一般般充充电电电电路路都都是是独独立立工工作作的的。也也就就是是说说，即即使使不不用用逆逆变变器器，只只要要将将交交流流电电源源接接通通，充充电电电电路路就就开开始始工工作作。充充电电过过程程中中，先先采采用用恒恒流流充充电电，当当蓄蓄电电池池的的电电压压达达到到浮浮充充电电压压后后，转转为为恒恒压压充充电电，直直到到电电池池被被充充足足。主主电电路路一一般般采采用用开开关关型型整整流流电电路路，为为了了缩缩短短充充电电时时间间，各各种种快快速速充充电电电电路在路在UPS中也得到了应用。中也得到了应用。逆变电路逆变电路作用作用是将是将市电整流后市电整流后的的直流电压直流电压或或蓄电池电压蓄电池电压变换成变换成交流电压。交流电压。2022/10/74静态开关电路静态开关电路作作用用是是保保护护UPS和和负负载载，并并实实现现市市电电旁旁路路供供电电和和逆逆变变器器供供电电的的转转换换。UPS过过载载时时，为为了了保保护护逆逆变变器器，当当市市电电正正常常时时，UPS通通过过静静态态开开关关将将输输出出由由逆逆变变器器转转换换到到市市电电；逆逆变变器器出出现现故故障障时时，为为了了保保证负载不断电，证负载不断电，UPS的输出也通过静态开关输出切换到市电。的输出也通过静态开关输出切换到市电。由由于于UPS内内部部一一般般都都有有同同步步锁锁相相电电路路，同同时时静静态态开开关关转转换换时时间间较较短短，因因此此在在转转换换过过程程中中不不会会出出现现供供电电间间断断。小小型型UPS一一般般采采用用快快速速继继电电器器作作为为静静态态开开关关，大大中中型型UPS则则采采用用反反向向并并联联的的快快速速晶晶闸闸管管作静态开关作静态开关控制、监测、显示及保护电路控制、监测、显示及保护电路UPS输出电压输出电压的的精度精度、波形失真度波形失真度以及以及工作可靠性工作可靠性均均与控制电路密切相关与控制电路密切相关。控控制制电电路路主主要要有有SPWM产产生生电电路路、闭闭环环调调压压电电路路、同同步步锁锁相相电电路路等等。为为了了使使UPS可可靠靠工工作作，还还应应具具有有较较完完善善的的保保护护电电路路，一一般般的的UPS中中都都有有：电电池池电电压压过过低低自自动动保保护护电电路路；逆逆变变器器输输出出过过载载或或短短路路自自动动保保护护电电路路；逆逆变变器器过过压压自自动动保保护护电电路路；市市电电电电压压过过高高自自动动保保护护电电路路；UPS延延迟迟启启动动自自动动保保护护电电路路等等。为为了了随随时时掌掌握握和和了了解解工工作作状状态态和和运运行行情情况况，UPS中中还还设设有有监监测测电电路路、显显示示电电路路及报警电路。及报警电路。2022/10/75后备式后备式UPS电源的组成电源的组成后备式后备式UPS电源的组成如图电源的组成如图5-1所示：所示：图5-1 后备式UPS电源的组成框图当市电供电正常时，经低通滤波器抑制高频干扰，经调压器对电压变化起伏较大的市电进行稳压处理，再经转换开关K1向负载供电，而整流器对蓄电池组充电，使电池始终处于充足状态，以备一旦市电不正常时，改由蓄电池通过逆变器，经由转换开关K2向负载供电。综上所述，这种UPS最大特点是结构简单、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。lSPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出 2022/10/76在线式在线式UPS电源的组成电源的组成在线式在线式UPS电源的组成如图电源的组成如图5-2所示：所示：图5-2 在线式UPS电源的组成框图市电首先经UPS内部滤波器、整流器变为直流电源，再利用PWM方式经逆变器重新将直流电源变成纯正的高质量的正弦波交流电源，通过这样的变换，市电中的所有干扰几乎都被过滤掉，这就避免了由市电带来的任何电压或频率波动及干扰等影响。当市电供电出故障或完全停电时，利用蓄电池组继续向逆变器提供直流电源，保证了UPS向用户提供高质量的正弦交流电源。一旦UPS发生故障时，静态开关接通旁路系统，由市电直接经过静态开关向负载供电。2022/10/77三端式三端式UPS电源的组成电源的组成三端式三端式UPS电源的组成如图电源的组成如图5-3所示所示图5-3 三端式UPS电源的组成框图三端式UPS由整流器、蓄电池和三端口稳压器等组成，其结构如图5-3所示。三端口稳压器的铁芯为双磁分路结构，每个初级绕组和次级绕组都有一个磁分路，并联电容与每个磁路组成LC振荡回路，当达到谐振点时，构成饱和电感，使次级工作于饱和区，若初级输入电压变化时，次级输出电压恒定不变，实现了稳压的目的。2022/10/78Delta变换型变换型UPS电源的组成电源的组成Delta变换型变换型UPS的组成如图的组成如图5-4所示所示 图5-4 Delta变换型UPS的组成框图lDelta变换型UPS实际上就相当于一台串联调控型的交流稳压电源。2022/10/79Delta变换型变换型UPS主要调控职责主要调控职责对市电电压进行稳压处理。对市电电压进行稳压处理。将原来不稳定的普通市电电源将原来不稳定的普通市电电源变成变成电压稳压精度为电压稳压精度为380V+1%的交流稳压电源。的交流稳压电源。但对于来自市电电网的但对于来自市电电网的频率波动频率波动、电压谐波失真电压谐波失真和各种和各种传导性电磁干扰传导性电磁干扰等电源问题等电源问题无无实实质性的改善质性的改善。Delta变换型变换型UPS共有四条供电通道向用户的负载供电：共有四条供电通道向用户的负载供电：主供电通道：主供电通道：市电输入市电输入主电路静态开关主电路静态开关补偿变压器补偿变压器输出输出逆变器供电通道：逆变器供电通道：蓄电池蓄电池主变换器主变换器输出。输出。交流旁路供电通道：交流旁路供电通道：市电输入市电输入旁路静态开关旁路静态开关输出。输出。维修旁路供电通道：维修旁路供电通道：市电电源市电电源维修旁路开关维修旁路开关输出。输出。2022/10/7101.2 UPS逆变工作原理与主要电路技逆变工作原理与主要电路技术术逆变电路逆变电路单相逆变器的逆变电路单相逆变器的逆变电路有有推挽式、推挽式、半半桥式桥式、全桥式全桥式等。均用于中小型等。均用于中小型UPS系统。系统。全桥式逆变电路应用场合多全桥式逆变电路应用场合多，下面介绍半桥式逆变器和全桥逆变器下面介绍半桥式逆变器和全桥逆变器结构原理和控制方法。结构原理和控制方法。半桥式逆变电路的工作原理半桥式逆变电路的工作原理半桥式逆变电路的工作原理如半桥式逆变电路的工作原理如图图5-5所示：所示：开关管V1和V2构成构成一个桥臂及反并联二极管D1和D2构成另一个桥臂，两个桥臂的中点A和B为输出端，可以通过变压器Tr变压输出，也可以由这两端直接等压输出。因为电容C1C2，容量较大，故其电压，ui是比较稳定的，中点B的电位基本不变。UB1/2Ui，而A点的电位则取决于开关管V1和V2的工作情况。图：半桥式逆变器主电路2022/10/711全桥式逆变电路的工作原理全桥式逆变电路的工作原理全桥式逆变电路的工作原理如图全桥式逆变电路的工作原理如图5-6所示：所示：图5-6 全桥式逆变器电路功率晶体管VT1,VT4和VT2,VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。从而在变压器初级和次级侧分别产生交流电压U1和U2，经过次级L,C滤波电路的作用使负载取得正弦电压。2022/10/712静态开关静态开关静态开关的作用静态开关的作用静态开关的作用是切断发生故障的电源输出，做到逆变器输出和静态开关的作用是切断发生故障的电源输出，做到逆变器输出和市电旁路输出间的无间断切换。市电旁路输出间的无间断切换。静态开关主电路原理静态开关主电路原理1kVA2kVA在线式在线式UPS电源电源，其，其逆变器输出逆变器输出和和交流旁路供电间交流旁路供电间切换切换，大多采用大多采用快速继电器快速继电器作为作为切换元件切换元件，这种瞬间的供电中断，这种瞬间的供电中断不会影响微型计算机中开关电源的供电，但不能满足通信设备要不会影响微型计算机中开关电源的供电，但不能满足通信设备要求电源不中断的需要求电源不中断的需要容量在容量在2KVA以上的以上的UPS电源而言，由于继电器工作电流的增大，电源而言，由于继电器工作电流的增大，且继电器拉断瞬间所产生的火花将产生高温而损坏接点，或者在且继电器拉断瞬间所产生的火花将产生高温而损坏接点，或者在常开和常紧闭接点间形成电弧而将两个交流电源产生瞬间短路。常开和常紧闭接点间形成电弧而将两个交流电源产生瞬间短路。所以所以继电器用于切换仅限于小容量继电器用于切换仅限于小容量UPS电源电源。小型小型UPS一般采用一般采用快速继电器快速继电器作为静态开关，大中型作为静态开关，大中型UPS则采用则采用反向并联的反向并联的快速晶闸管快速晶闸管作静态开关。作静态开关。2022/10/713UPS电源中锁相电路电源中锁相电路锁相环路工作原理和基本特性锁相环路工作原理和基本特性锁相环路（锁相环路（PLL）早在）早在1943年应用于黑白电视机水平同步电路中，年应用于黑白电视机水平同步电路中，1956年锁相环应用于第一批人造卫星。年锁相环应用于第一批人造卫星。60年代之后，在通信、航天、年代之后，在通信、航天、测量、计算机等诸多方面获得广泛应用。目前采用测量、计算机等诸多方面获得广泛应用。目前采用CMOS期间数字型锁期间数字型锁相环路已广泛应用于电子领域，以实现锁相稳频、锁相调频、锁相解调、相环路已广泛应用于电子领域，以实现锁相稳频、锁相调频、锁相解调、锁相同步及锁相控制等功能。锁相同步及锁相控制等功能。在在UPS电源中逆变器输出正弦电