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1、第章UPS电源随着科学的发展社会的进步，一些重要用户的关键设备如互联网数据中心、银行清算中 心、证券交易系统、通信网管中心等，要求提供高质量的无时间中断的交流电源。根据我国 国家标准GB2387-89规定，对于需要配置不间断电源的计算机房提供的交流电源至少应满足： 380V/220V、50HZ、三相五线制、电压波动小于+-5%、频率波动小于+-0.5%、波形失真小于 +-5%。此外可能产生的任何瞬态供电中断应控制在5 ms以内。一般的微机和服务器所允许 的瞬态供电中断时间在8至10ms的范围。若超过此范围，就会造成微机进入误动作或自检 程序，从而造成正在运行的数据或程序被破坏和丢失的不利局面。
2、另外过频的瞬态中断引起 的峰值高达400V左右的瞬态干扰是造成服务器产生偶发性自动关机的重要原因之一。因此 寻找一种“干净”的不中断的电源系统将非常必要。第一节 UPS的分类目前，市场上UPS品牌和种类繁多，但可从电路主结构、后备时间、输入/输出方式、输 出波形和输出容量等五个方面对其进行分类，其中按电路主结构进行分类是目前最常用的分 类方法。1. 按电路主结构分类(1)后备式UPS早期的后备式UPS在市电供电正常时，市电直接通过交流旁路和转换开关向负载供电， 交流旁路相当于一条供电回路，逆变器不工作，此时供电效率高但质量差。近年出台的后备 式UPS往往在交流旁路上配置了交流稳压电路和滤波电路
3、加以改善。当市电异常(市电电压、 频率超出后备式UPS允许的输入范围或市电中断)时，后备式UPS通过转换开关切换到由 蓄电池提供电能的状态，逆变器进入工作状态，此时输出波形为交流正弦波或方波。后备式 UPS存在切换时间，一般为410ms，但对一般的计算机设备的工作不会造成影响。(2)在线式UPS在线式UPS 一般采用双变换模式。当市电正常时，在线式UPS输入交流电，通过充电 电路对蓄电池进行充电，同时AC/DC电路将交流电转换为直流电，然后通过脉冲宽度调制 技术，由逆变器再将直流电逆变成正弦波交流电供给负载，起到无级稳压的作用。而当市电 中断时，后备蓄电池开始工作，此时蓄电池储存的电能通过逆变
4、器变换成交流正弦波或方波 并供给负载，因此无论是在市电供电正常时还是在市电中断由蓄电池逆变供电期间，逆变器 始终处于工作状态，这就从根本上消除了来自电网的电压波动和干扰对负载的影响，真正实 现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。(3)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。当市电正常时，两组逆变器只对输入电压与 输出电压的差值进行调整和补偿，逆变器承担的最大功率仅为输出功率的20%，所以功率强 度很小，功率余量大，这就增强了UPS的输出能力和过载能力，不再对负载电流波峰系数予 以限
5、制，可从容地对付冲击性负载，也不再对负载功能因数进行限制，输出有功功率可以等 于标定的KVA值。（4）在线互动式UPS在线互动式UPS是介于后备式UPS和在线式UPS工作方式之间的UPS设备，它集中了 后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点。在线互动式UPS的逆变器一直处于工 作状态，具有双向功能：在市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态，给蓄电池组充电， 起充电器的作用；在市电异常时，逆变器立刻转入逆变工作状态，将蓄电池组的直流电转换 为交流正弦波输出。在线互动式UPS也有转换时间，但比后备式UPS短，保护功能较强。 另外，它还采用了铁磁谐波变压器，抽头调压在市电供电时具有较好
6、的稳压功能。2、按后备时间分类（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的后备时间与蓄电池容量的关系可以根据以下的公式来确定：（1-1）其中：C蓄电池容量，单位为安时（Ah）；PUPS的额定功率，单位为伏安（VA）；PFUPS的功率因数；U
7、蓄电池组的直流端电压（V），为单节电池额电压与蓄电池节数的乘积；n逆变器的效率，为0.86；C1蓄电池的放电速率，该值可以根据UPS所需后备时间t长短在电池的放电 曲线图上查得，例如当 t=1h 时，C1=0.55，t=2h时，C1=0.35，t=4h 时，C1=0.20，t=8h 时， C=0.11。13、按输入/输出方式分类根据输入/输出方式，可分为单相输入/单相输出UPS、三相输入/单相输出UPS和三相 输入/三相输出UPS。小功率UPS都采用单相输入/单相输出方式，而中、大功率UPS多采用三相输入/单相 输出和三相输入/三相输出方式，对于用户来说，采用三相供电时市电配电和负载配电比较容
8、 易，每一相都承载一部分负载电流。4、按输出波形分类按输出波形，可分为输出波形为正弦波的UPS和输出波形为方波的UPS。输出波形为 方波的UPS不适合带感性负载，因为感性负载会使方波产生瞬态尖波，从而给UPS和负载设 备造成破坏。大多数后备式UPS的输出波形为方波。5、按输出容量分类按输出容量，可分为微型UPS （输出功率小于或等于1kVA）、小型UPS （输出功率大于 1kVA而小于5kVA）、中型UPS （输出功率大于5kVA而小于或等于30kVA）以及大型UPS （输 出功率大于30kVA而小于或等于100kVA）。第二节UPS的电路结构和工作原理从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，
9、目前技术成熟并已形成产品的各种UPS主 要有四大类：后备式UPS、在线互动式UPS、双变换在线式UPS以及串并联调整式UPS（Delta 变换器）。如果按技术性能的优劣来排序，则双变换在线式UPS串并联调整式UPS（Delta变 换器）在线互动式UPS后备式正弦波UPS后备式方波UPS。一. 要组成部分图1.1小型在线式UPS框图由于UPS功能的不同，其主电路结构和工作原理区别很大，但一般都包括以下组成部分。1. 整流充电器整流充电器可以把市电或油机的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
10、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。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。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
11、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。(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
12、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。（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
13、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。二. 后备式UPS后备式UPS是静止式UPS的最初形式，因为应用得早，用得广泛，因而技术和产品都是 很成熟的。后备式ups的电路结构加图11所示。图1-1后备式UPS的电路结构1. 电路各环节的功能（1）充电器当市电正常时，充电器对蓄电池进行充电和浮充电。（2）DC/AC逆变器当市电存在时，逆变器不工作；市电中断时，由它将直流电压（由蓄电池供给）转变成符 合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波和正弦波三种形式。（3）输出转换开关当市电存在时
14、，输出转换开关接通输入电源，向负载供电；市电中断时，输出转换开关在断 开市电回的同时接通逆变器，继续向负载供电。（4）智能调压电路市电存在时，智能调压电路可用来调节并稳定输出电压。2. 后备式UPS的工作原理后备式UPS的工作原理为：当电网供电正常时，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。后备式正弦波输出 UPS的电路采用了抗干扰式分级调压稳压技术，当市电电压180250V之间变化时，其电压 稳定度达5%，UPS相当于一台稳压性能较差的稳压器，仅对市
15、电电压幅度波动有所改善， 对电网上出现的频率不稳、波形畸变等“电污染”不作任何调整。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。后备式UPS的优点是：产品价格低廉，运行费用低。由于在正常情况下逆变器处于非工 作状态，电网电能直接供给负载，因此后备式UPS的电能转换效率很高。蓄电池的使用寿命 一般为35年。后备式UPS的缺点是：当电网供电出现故障时，由电网供电转换到蓄电池经逆变器供电 瞬间存在
16、一个较长的转换时间。对于那些对电能质量要求较高的设备来说，这一转换时间的 长短是至关重要的。再者，由于后备式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。后备式UPS一般应用在一些非关键性的小功率设备上。从上面后备式UPS的工作原理可以看出，在大部分供电时间内，负载所使用的电源就是 市电（或经过调压器简单调压的市电），负载还是会承受从市电网路进来的浪涌、尖脉冲、干 扰、频率漂移等不良影响。显然，这时的UPS实质上是一台性能较差的稳压器，只能对市电 的电压高低问题有所改善，而不能解决大部分市电供电中的问题，它是一种价格便宜、技术 含量较低的UPS，适合不太重要的单台PC机使用。3. 后备式正弦波输出UPS
