交流不間斷電源UPS

1、 PAGE 42GPRS原理及其網絡優化第3章 交流不間斷電源UPS PAGE 52 TOC o 1-2 h z t 標題 3,3,分條,5,條,4,小節,3,第三級,3 HYPERLINK l _Toc102209431 第章UPS電源 PAGEREF _Toc102209431 h 2 HYPERLINK l _Toc102209432 第一節 UPS的分類 PAGEREF _Toc102209432 h 2 HYPERLINK l _Toc102209433 1. 按電路主結構分類 PAGEREF _Toc102209433 h 2 HYPERLINK l _Toc102209434 2

2、、按后備時間分類 PAGEREF _Toc102209434 h 3 HYPERLINK l _Toc102209435 3、按輸入/輸出方式分類 PAGEREF _Toc102209435 h 3 HYPERLINK l _Toc102209436 4、按輸出波形分類 PAGEREF _Toc102209436 h 4 HYPERLINK l _Toc102209437 5、按輸出容量分類 PAGEREF _Toc102209437 h 4 HYPERLINK l _Toc102209438 第二節 UPS的電路結構和工作原理 PAGEREF _Toc102209438 h 4 HYPERL

3、INK l _Toc102209439 一主要組成部分 PAGEREF _Toc102209439 h 4 HYPERLINK l _Toc102209440 二 后備式UPS PAGEREF _Toc102209440 h 5 HYPERLINK l _Toc102209441 1.電路各環節的功能 PAGEREF _Toc102209441 h 5 HYPERLINK l _Toc102209442 3.后備式正弦波輸出UPS的主要特點 PAGEREF _Toc102209442 h 6 HYPERLINK l _Toc102209443 4.后備式方波輸出UPS的主要特點 PAGEREF

4、 _Toc102209443 h 7 HYPERLINK l _Toc102209444 三 在線式UPS PAGEREF _Toc102209444 h 8 HYPERLINK l _Toc102209445 1雙變換在線式UPS PAGEREF _Toc102209445 h 8 HYPERLINK l _Toc102209446 2.在線式正弦波輸出UPS的特點 PAGEREF _Toc102209446 h 11 HYPERLINK l _Toc102209447 四 在線互動式UPS PAGEREF _Toc102209447 h 12 HYPERLINK l _Toc1022094

5、48 五串并聯調整式UPS PAGEREF _Toc102209448 h 13 HYPERLINK l _Toc102209449 第三節 UPS冗余供電 PAGEREF _Toc102209449 h 15 HYPERLINK l _Toc102209450 一 UPS的熱備份連接 PAGEREF _Toc102209450 h 15 HYPERLINK l _Toc102209451 二UPS并聯冗余方式 PAGEREF _Toc102209451 h 17 HYPERLINK l _Toc102209452 第四節 UPS蓄電池監測管理 PAGEREF _Toc102209452 h

6、19 HYPERLINK l _Toc102209453 一、蓄電池容量配置 PAGEREF _Toc102209453 h 20 HYPERLINK l _Toc102209454 二、蓄電池的智能化管理 PAGEREF _Toc102209454 h 21 HYPERLINK l _Toc102209455 第五節 油機組與 UPS的兼容 PAGEREF _Toc102209455 h 22 HYPERLINK l _Toc102209456 一、同步發電機的電樞反應 PAGEREF _Toc102209456 h 24 HYPERLINK l _Toc102209457 二、油機組與UP

7、S的功率匹配 PAGEREF _Toc102209457 h 27 HYPERLINK l _Toc102209458 第六節 電信機房UPS配置 PAGEREF _Toc102209458 h 28 HYPERLINK l _Toc102209459 一、UPS與逆變器的比較 PAGEREF _Toc102209459 h 28 HYPERLINK l _Toc102209460 二、電信機房供電系統的設計 PAGEREF _Toc102209460 h 30 HYPERLINK l _Toc102209461 第七節 UPS的安全使用與檢修 PAGEREF _Toc102209461 h

8、33 HYPERLINK l _Toc102209462 一、 UPS的安全使用 PAGEREF _Toc102209462 h 33 HYPERLINK l _Toc102209463 二、UPS日常維護 PAGEREF _Toc102209463 h 36 HYPERLINK l _Toc102209464 三、UPS的故障診斷及對策 PAGEREF _Toc102209464 h 36第章UPS電源隨著科學的發展社會的進步，一些重要用戶的關鍵設備如互聯網數據中心、銀行清算中心、證券交易系統、通信網管中心等，要求提供高質量的無時間中斷的交流電源。根據我國國家標準GB2387-89規定，對于

9、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%。此外可能產生的任何瞬態供電中斷應控制在5ms以內。一般的微機和服務器所允許的瞬態供電中斷時間在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據或程序被破壞和丟失的不利局面。另外過頻的瞬態中斷引起的峰值高達400V左右的瞬態干擾是造成服務器產生偶發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將非常必要。第一節 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

10、、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了交流穩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，逆變器進入工作狀態，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，

11、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，起到無級穩壓的作用。而當市電中斷時，后備蓄電池開始工作，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，這就從根本上消除了來自電網的電壓波動和干擾對負載的影響，真正實現了對負載的無干擾、穩壓、穩頻以及零轉換時間。（3）串并聯調整

12、式UPS串并聯調整式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供電質量高的優點。在線互動式U

13、PS的逆變器一直處于工作狀態，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，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，將蓄電池組的直流電轉換為交流正弦波輸出。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），使用戶及時保存數據和系統正常關機。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

14、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的后備時間與蓄電池容量的關系可以根據以下的公式來確定：（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；U蓄電池組的直流端電壓(V)，為單節電池額電壓與蓄電池節數的乘積；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，C

15、1=0.11。3、按輸入/輸出方式分類根據輸入/輸出方式，可分為單相輸入/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生瞬態尖波，從而給UPS和負載設備造成破壞。大多數后備式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

16、微型UPS（輸出功率小于或等于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 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以及串并聯調整式UPS(Delta變換器)。如果按技術性能的優劣來排序，則雙變換在線式UPS串并聯調整式UPS(Delta變換器)在線互動式UPS后備式正弦波UPS后備式方波UPS。主要組成部分圖1.1 小型在線

17、式UPS框圖由于UPS功能的不同，其主電路結構和工作原理區別很大，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為直流電能，為逆變器和蓄電池提供能量，其性能的優劣直接影響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，具有功率因數校正功能，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

18、都比較穩定的交流電能，其性能的優劣直接影響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 出現過載或短路故障時，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供電系統轉入旁路供電后，是由市電直接供給負載的，因市電的系統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繼續向其他負載供電。旁

19、路開關可分為以下幾種。(1)靜態旁路開關 靜態旁路開關為無觸點開關，由晶閘管開關器件構成。所謂電子式靜態轉換開關，是將一對反向并聯的快速晶閘管連接起來，作為UPS在執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，可以對負載實現轉換時間為零的不間斷供電。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。靜態開關可

20、以將轉換時間縮短到lms以下，甚至1OOus以內，但損耗較大。 (2)動態旁路開關 動態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.電路各環節的功能

21、（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；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，繼續向負載供電。（4）智能調壓電路市電存在時，智能調壓電路可用來調節并穩定輸出電壓。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壓器初步穩壓，吸收部分電網干擾后，再由旁路

22、轉換開關直接提供給用戶。此時，蓄電池處在充電狀態，直到蓄電池充滿而轉人浮充狀態。后備式正弦波輸出UPS的電路采用了抗干擾式分級調壓穩壓技術，當市電電壓180250V之間變化時，其電壓穩定度達5%，UPS相當于一臺穩壓性能較差的穩壓器，僅對市電電壓幅度波動有所改善，對電網上出現的頻率不穩、波形畸變等“電污染”不作任何調整。當電網電壓或電網頻率超出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，使逆變器產生220V、50Hz的交流電，此時UPS供電系統轉換為由蓄電池一逆變器繼續向負載供電。 后備式UPS的優點是：產品價格

23、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，電網電能直接供給負載，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：當電網供電出現故障時，由電網供電轉換到蓄電池經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的逆變器不是經常工作的，因此不易掌握逆變器的動態狀況，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(或經過調壓器簡單調壓的市電)，負載還是會承受從市

24、電網路進來的浪涌、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的波形失真系數小于5%。當后備式UPS的負載過輕時，其波形

25、失真系數將有所增大，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處于市電供電狀態時，由于市電是直接通過抗干擾濾波器對負載供電的，因此噪聲較小；處于逆變器工作狀態時，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

26、同一電源變壓器，其交流輸出端的相線與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分級調壓穩

27、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干擾的穩壓電源；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。 后備式方波輸出UPS在線路設

28、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還是逆變器供電狀態，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

29、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定，不能改變其相互關系。 后備式方波輸出UPS的產品說明書規定，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，否則可能出現既無市電輸出又無逆變器電壓輸出的不正常現象。三 在線式UPS 對電源要求越來越高的信息設備，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，是指不管電網電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經過逆變電路，即

30、逆變電路始終處于工作狀態。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運行。1雙變換在線式UPS1）電路各環節功能當前，絕大多數在線式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。

31、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，當變換電路發生故障，負載有沖擊性故障（例如啟動負載時）或發生過載故障時，變換器停止輸出，旁路開關接通，由電網直接向負載供電。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。當電網供電正常時，電網輸入的電壓一路經過噪聲濾波器去除電網中的高頻干擾，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

32、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，經整流后提供給電池充電及逆變器輸入。當發生斷電時，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，再由逆變器把直流電轉換為交流電供負載使用。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。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，對電網供電起到“凈化”作用

33、，真正實現了對負載的無干擾、穩壓、穩頻供電。在線式UPS輸出的正弦波的波形失真系數小，目前一般市售產品的波形失真系數均在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定的。在線式UPS能實現對負載的真正的不間斷供電，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）傳統雙變換在線式UPS 這是一種

34、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整流器變為穩壓直流，經過電容濾波后由逆變器變換為純凈 的交流電，再經輸出隔離變壓器輸出穩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，因此屬于串聯調整范疇。屬于這種結構的UPS有IMEL、ImvSsit

35、eproFenton、 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，還可并聯增容和冗余，UPS在多機并聯時可共用一套蓄電池組或具有各自的蓄電池組； 輸出電壓無三次諧波，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。控制簡單，運行穩定可靠，效率高，整流器造價低。而對于小功率

36、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輸入功率因數低 (一般為0.7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，輸入功率因數可提高到0.9左右，諧波電流降到10%以下。 UPS的輸入功率因數低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流污染市電電網，以脈動斷續方式向電網索取電流。這種脈動電流在市電電網沿線路阻抗上形成脈動電壓并疊加在電網電壓的正弦波上，造成電壓失真，這就是所謂電力公害，使得同一電網供電的變壓器、電動機等產生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化，高次諧波

37、對通信線路、測量儀器產生輻射干擾并影響電表計量精度。圖1-4 傳統雙變換在線式UPS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，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。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

38、樣適用于上述電路。(4)帶有源功率因數校正電路的雙變換式UPS采用電感等無源功率因數校正 (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電壓均有較好的穩壓效果，也很容易做到輸入120160V電壓時UPS也能工作

39、，但必須降載使用 (33%50%負載)。圖1-5所示電路中蓄電池組一般采用30節至36節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。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。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；二極管由導通變為截止時，存在反向恢復時間，易造成直流電源瞬間短路。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

40、)雙隔離的雙變換式UPS在圖1-4和圖1-5所示電路拓撲中，當系統處于旁路狀態時，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

41、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的任何電壓波動和干擾對負載工作的影響，真正實現了對負載的無干擾穩壓供電。這顯然不是任何一種抗干擾交流穩壓電源所能解決的。當市電電壓變化范圍為180250V時，它的輸出電壓穩定范圍可達220V3%，正弦波的工作頻率穩定范圍為50Hz1%.在線式UPS輸出正弦波的波形失真系數最小，一般小于3%。市電中斷時在線式UPS能真正實現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

42、出電壓變化范圍為1%左右，這種變化的持續時間一般為 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UPS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)

43、，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典型拓樸電路各環節功能輸入開關：當市電中斷（指電網失壓）時，斷開開關，防止逆變器向電網饋電。智能調壓：當市電存在時，可調節UPS的輸出電壓（由智能開關調節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

44、電壓端LoN為第三端口。當輸入市電在規定范圍內變化時，UPS通過調整變壓器的抽頭來大致穩定電壓。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，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態，進入充電狀態，這時輸出由市電供電。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，也會對市電產生較強的諧波電流，但互動式UPS在帶線性負載時不會對

45、市電產生污染。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；動態性能不好，在輸入電壓或負載電流突變時，輸出電壓突變較大，恢復到新穩態所需時間長；穩壓精度較差，對電網適應范圍窄，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；UPS的輸入功率因數由負載決定，如帶計算機等整流性負載時，其輸入功率因數也只有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壓器，產生既有串聯調整又有并聯調整的雙重調整結構。Delt

46、a 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電流源，串接在主電路中，它的功能是提供正弦波電流，監控蓄電池組的充電電平，調整輸入功率因數，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。提高了輸出穩壓精度。

47、圖1-10 Delta變換型UPS的結構圖（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補償，使輸入功率因數等于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%（相當于輸入電壓變化范圍），所以功率強

48、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，保證輸出電壓的穩定（是個電壓源），并對負載電流諧波成分進行補償，使其

49、不對電網產生影響（屬于并聯補償）；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，當負載電流發生畸變時，也由主變換器調整補償掉。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短路時，相當

50、于Delta變換器的負載出現過載或短路，將會斷電，Delta變換器將進入保護狀態。若保護失效，則故障將是毀滅性的。事實上，電網停電或短路時有發生，相比之下雙變換式UPS卻不會出現此現象。Delta變換型UPS雖然也是一種雙變換電路，但不同于傳統雙變換型UPS。傳統型 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下，在PWM控制下經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 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

51、系統的可靠性，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。（1）市電正常 在正常工作狀態下，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。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。此時，由蓄電池組提供的直流電經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)旁路狀態靜態旁路是

52、UPS系統的重要組成部分，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格的單機來提高可靠性。任何具有旁路環節的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

53、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處于熱備份狀態空載運行；當UPSl故障時，UPS2投入運行，接替UPSl繼續向負載供電。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。為節約投資，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。兩臺熱備份連接的UPS系統可靠性比單臺UPS的可靠性提高了兩個數量級，并且這種系統的連接方式簡單易行，即使是不同品牌的機器，只要規格、容量相同，就可連接，不需再增加另外的設備。若兩臺不同

54、容量的UPS相連，其容量只能按最小的那一臺計算。單臺UPS處于旁路工作狀態時，負載不受UPS保護。此時，如果發生交流電中斷、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UPS主機的靜態旁路電源，這就是雙機主備冗余供電，也叫雙機串聯冗余供電，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。 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，不會產生負載電源中斷。 備機故障時，備機轉為旁路。此時

55、主機的靜態旁路輸入的不再是備機的逆變器輸出，而是交流電經過備機的靜態旁路開關供給，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，交流電經過備機的靜態旁路開關，再經主機的靜態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)優點 安裝方便，易于實現。只要UPS主機具有獨立的靜態旁路輸入口，就可以很容易地實現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。系統調試時，只要將UPS主、備機的輸出電壓調整一致即可。根據實際經驗，UPS雙機主、備冗余供電的可靠性高于雙機并聯冗余供電。(3)缺點雙機冗

56、余提高了UPS電源供電系統的可靠性，但存在以下一些缺點。主UPS本身發生故障時，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生故障時，主UPS會立即停止工作，輸出中斷。此時，主UPS也不可能再從靜態開關轉向旁路，這時即使從UPS是好的也無濟于事，整個計算機系統的供電將被中斷。當主UPS控制電路出現問題后，在逆變器燒毀的瞬間 (此時不滿足切換條件)及出現一些其他原因時，也可能會出現靜態開關不切換而造成供電中斷的現象。 切換瞬時輸出出現間斷。UPS供電系統為保證輸出波形連續，采用先合后斷技術，即旁路通過靜態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率、相位

57、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。在頻率正常的情況下，主UPS為帶載工況，從UPS為空載。而在電網頻率偏離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，無法進行 “鎖相”跟蹤，如在此時發生切換過程，輸出波形將會有更大的輸出間斷時間。特別是在主UPS逆變器發生故障，強行切換時，由于無法進行正常跟蹤，將有可能出現較大的間斷時間，甚至切換失敗。在雙機主備冗余方式的供電系統中，增加了兩個公共故障點。一旦主UPS靜態開關出現故障，此時又要求切換，則會造成負載供電中斷。發生過載時，主、從UPS將依次轉旁路，這時UPS的靜態開關如出現問題，也將造成輸出中

58、斷。 設備使用效率低。在整個供電過程中，始終有一臺UPS長期閑置不用，使用效率低，并且備份UPS的蓄電池長期處于浮充狀態下，蓄電池無法放電，使用壽命大大縮短。但可以增加一個主從轉換裝置，定期將主機與從機進行轉換，對主、從機的蓄電池輪流充放電，以解決此問題。但是在主、從轉換過程中，從機處于空載運行狀態，一旦出現切換過程，負載量將從0突變到100%，整流器和逆變器將受到大電流沖擊，易于損壞，影響正常輸出，甚至斷電。維修困難。當主機發生故障，切換到從機供電時，用戶負載不能停機，無法關閉主 UPS進行維修。一旦從機出現故障，會造成整個供電系統中斷。二UPS并聯冗余方式從一般原理上講，普通在線式UPS都

59、可直接并聯，但應說明的一點是，這些UPS必須由同一路電網供電。在這種情況下，UPS的逆變器永遠在跟蹤旁路市電，由于這些UPS都在跟蹤同一路市電，也就相當于互相在相位上跟蹤。這些UPS在頻率和相位上都是一致的，因此可以并聯，但這種并聯是不保險的，主要原因如下。雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量UPS的相位跟蹤誤差為3，如果這兩臺并聯的UPS一個是+3，另一個是-3，那么它們兩個并聯后就有可能在相位上差了6，這就有可能使輸出電壓相差30V，將會在UPS輸出端造成很大的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖1-3（a）圖1.33在兩臺UPS電源之間所可能形成的環流示意

60、圖雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量UPS的相位跟蹤誤差為3，如果這兩臺并聯的UPS一個是+3，另一個是-3，那么它們兩個并聯后就有可能在相位上差了6，這就有可能使輸出電壓相差30V，將會在UPS輸出端造成很大的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖1-3（a）另外，雖然是同型號、同規格的UPS逆變器，但逆變器參數和和變壓器參數的微小差異會導致輸出電壓不一樣，比如一個為218V而另一個為220V，也將會在UPS輸出端造成很大的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖1-3（b）UPS并聯連接的目的是提高UPS供電系統的可靠性，增加了UPS系統的容量。而并聯連接要解決的關