UPS不间断电源电路工作原理 UPS不间断电源规格详解

ups不间断电源电路工作原理

常态下，市电（220V）通过可调充电器向蓄电池充电，同时自启动继电器K1吸合，R1与VZ1、VZ2对蓄电池+24V电压进行分压采样，采样电压Vo通过R2、VD3加到V1基极，使V1处于线性放大状态，V2、V3深度饱和，直流控制继电器K吸合，+24V电压通过K、K1送至逆变器V+端，逆变器工作，输出220V正弦波电压，同时自锁继电器K2吸合。

当市电断电时，K1断开，初时输人电压+24V不变，K继续吸合，由于K2的自锁作用，+24V仍正常送至逆变器。经一段时间后，电池电压开始下降，Vo跟着下降，V1导通减弱，V2升高；当叽升高至一定值（即蓄电池电压下降至22V）后，V2退出饱和进人线性放大，V3迅速下降;V3通过R7反馈至V1基极，使得V2继续升高，形成一个雪崩过程。

V2、V3迅速截止，K断开，蓄电池送至逆变器的+24V直流被切断，逆变器停止工作，同时K2断开。逆变器停止工作后，由于蓄电池内电动势的作用，蓄电池很快恢复24V电压，与常态一样，V2、V3饱和，K吸合。

但由于此时K1、K2均断开，+24V无法到达逆变器，逆变器不工作，从而保护了蓄电池。只有当市电恢复正常后，K1吸合，逆变器才能工作，此时充电器已向蓄电池充电。

调整R1可在市电断电时校准蓄电池电压下限保护起控值，亦同时调整市电断电时UPS的最长工作时间。

元器件选择：充电器选用市售24～12V/50A可调充电器；逆变器选用功率500V·A、直流工作电压为24V逆变器；蓄电池选用两个12.80A·h铅蓄电池串接；交流继电器规格为220V/10A；直流继电器规格为24V/20A。

UPS电路结构种类

当前技术成熟并已形成产品的各种UPS，就其主电路结构和不停电供电运行机制来看，主要有几大类：

后备式

在线互动式

双逆变在线式

双逆变电压补偿在线式（逆变器）

1、 后备式是静止式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。

充电器：市电存在时，对蓄电池充电并浮充，如果是长延时UPS，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。

DC-AC逆变器：市电存在时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。

输出转换开关：市电存在时，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。 智能调压：市电存在时，可调节稳定输出电压。

后备式UPS的性能特点是：

·当市电存在时，效率高，可达98%以上；

·当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流，UPS本身不 产生附加输入功率因数和谐波电流失真；

·当市电存在时，输出能力强，对负载电流波峰系数、浪涌电流系数、输出功率因数、过载等没有严格地限制；

·市电掉电时，输出有转换时间,一般可做到4ms左右,足以满足负载要求；

·当市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求；

·当市电存在时，整机要靠附加滤波电路提高UPS双向抗干扰功能；

·电路简单，成本低，可靠性高；

·由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一定困难，当前面市的后备式UPS多在2KVA以下。

2、 在线互动式的在线含意是逆变器处于热备份状态，同时兼顾了对电池充电的功能，提高了后备式UPS的功率容量，减小了市电掉电时的转换时间，提高了对输出电压的滤波作用。

·输入开关：当市电掉电时（指电网失压），断开开关，防止逆变器向电网馈电；

·智能调压：市电存在时，可调节稳定输出电压；

·DC/AC逆变器：此逆变器可双向逆变，当市电存在时，逆变方向是AC- DC, 给电池充电并浮充；市电掉电后，逆变方向为DC-AC，由电池供电，保持UPS继续向负载供电。

在线互动式UPS的性能特点是：

·当市电存在时，效率高，可达98%以上；

·当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波成份取决于负载 电流，UPS本 身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真；

·当市电存在时，输出能力强，对负载电流峰值系数、浪涌电流系数、输出功率 因数、过载等没有严格地限制；

·市电掉电时，因为输入开关存在开断时间，至使UPS输出仍有转换时间，但比后备式要小；

·市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求；

·市电存在时，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状况，对输出电压尖峰干扰有滤波作用；

·电路更简单，成本低，可靠性高；

·逆变器同时有充电功能，省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强的多，当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备；

·由于逆变器与输出直接接在一起，没有转换开关的限制，所以输出功率可提高到5-10KVA。

为了进一步改善在线互动式的功能，可在输入开关和智能调压之间串接一个电感，目的在于当市电掉电时，逆变器可立即向负载供电，因为串联电感对逆变输出反馈到电网的电流有很强的抑制作用，避免了输入开关未断开时短路逆变器输出的危险，这样做可以使在线互动式的转换时间减小到零，使其完全具备双逆变在线式的转换功能，同时还增加了整个UPS的抗干扰能力。但是，这样做却带来了降低UPS输入功率因数的不良后果。

3、 双逆变在线式

当前，绝大多数在线式，特别是大功率在线式UPS，大都采用了双逆变电路结构。

·逆变器（Ⅰ）：该逆变器为AC-DC单向逆变，当市电存在时，它完成对电池的充电，并通过逆变器（Ⅱ）向负载供电，该逆变器多为整流或可控整流电路；

·逆变器（Ⅱ）：该逆变器为DC-AC单向逆变，当市电存在时，它由逆变（Ⅰ）取得功率后再送到输出端，并保证向负载提供高质量的电源；当市电掉电时，由电池通过逆变器（Ⅱ）向负载供电；

·旁路开关：平时处在断开状态，当逆变电路发生故障，或者当负载有冲击性（例如启动负载时）或故障过载时，逆变器停止输出，旁路开关接通，由电网直接向负载供电，旁路开关多为智能型的功率容量很强的无触点开关。

双逆变在线式UPS的性能特点如下：

·因为不管市电有无，负载的全部功率都由逆变器给出，所以可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定精度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真度等指标，都是比较高的；

·市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间；

·因为无论市电有无，全部负载功率都由逆变器供出，UPS的功率余量有限，输出能力不理想，所以对负载提出限制条件，例如输出电流峰值系数（一般只达到3:1）、过载能力、输出功率因数（一般为0.8）、输出有功功率小于标定的KVA数，应付冲击性负载的能力等；

·由于逆变器（Ⅰ）多为整流电路，对电网形成电流谐波干扰，输入功率因数低，经滤波后，最小的谐波电流成份在10%左右，而输入功率因数只有0.8左右，如果在逆变器（Ⅰ）中使用功率因数校正技术，则可把输入功率因数提高到接近1，输入电流谐波成份也会大幅度降低；

·在市电存在时，由于两个逆变器都承担100%的负载功率，所以整机效率低，10KVA以下的UPS为80%左右，50 KVA的可达85-90%，100 KVA以上的可达90--92%。

4、 双逆变电压补偿在线式

是由美国APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成产品的，同样是双逆变电路结构，同样是在线工作，但是，由于它成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了UPS的主电路中，相对双逆变在线式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在适应电网环境并且不干扰破坏电网、在输出能力和可靠性等多项UPS主要指标方面都有了新的突破。APC Silcon称此电路结构为Delta逆变技术。

·逆变器（Ⅰ）：它是一组DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的输出变压器（高 频）的付边串联在UPS主电路中，其功能有三个：

第一：对UPS输入端进行输入功率因数补偿，并抑制输入电流谐波；

第二：与逆变（Ⅱ）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，逆变器（Ⅰ）吸收功率，反极性补偿输入输出电压的差值，当输入电压低于输出电压额定值时，逆变器（Ⅰ）输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值；

第三：与逆变器（Ⅱ）一起完成对电池的充电和浮充功能。

·逆变器（Ⅱ）：该逆变器同样是DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的功能有四个：

第一：同逆变器（Ⅰ）一起，完成对输入输出电压差值的补偿；

第二：同逆变器（Ⅰ）一起完成对电池的充电和电压浮充功能；

第三：随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，对输出电压波形失真和输出电流谐波成份进行补偿，使其不对电网产生影响；

第四：当市电掉电时，全部输出功率由逆变器（Ⅱ）给出，并且保证输出电压不间断，转换时间为零。

是双逆变电压补偿在线式UPS在各种情况下电流和功率传输示意图（这里假定UPS效率为100%）

双逆变电压补偿在线式的性能特点如下：

因为逆变器（Ⅱ）随时监视控制输出电压，并通过逆变（Ⅰ）参与主回路电压的调整，所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，例如输出电压稳定度、频率稳定度、输出电压动态响应、波形失真等指标，都是比较高的。

市电掉电时，输出电压不受响应，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时，也由逆变器（Ⅱ）调整补偿掉，所以是典型的在线工作方式。

当市电存在时，逆变器（Ⅰ）和（Ⅱ）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（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量大，这就大大增强了UPS的输出能力，与双逆变在线式相比，过载能力增强（200%,1分钟），不再对负载电流波峰系数予以限制，可从容地对付冲击性负载，不再对负载功率因数进行限制，输出有功功率可以等于标定的KVA值。

·逆变器（Ⅰ）同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输入谐波电流降到3%以下。

在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的1/5，所以整机效率在很大的功率范围内都可达到96%。

在市电存在的情况下（UPS连续运行时间的99%是有市电的），逆变器功率强度仅为设计值（逆变器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整机的寿命和可靠性必然大幅度提高。

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2023-02-04 11:14:28