交流不间断电源UPS的组成原理及容量的确定
2022-06-09
UPS（UninterruptiblePowerSystem），是一种含有储能装置，以逆变器为核心的恒压恒频的不间断电源。
1UPS基本组成
由AC-DC整流器、DC-AC逆变器、控制电路、蓄电池和转换开关等部分组成。⑴AC-DC整流器：将电网来的交流电全波整流、滤波变为直流电，供给逆变电路；⑵DC-AC逆变器：大功率MOSFET或IGBT逆变电路，其作用是变直流为交流输出，输出阻抗小，具有较大功率富余量和快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作；⑶控制电路：完成整机功能控制，提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号，完成正弦脉宽调制SPWM的控制，采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性；⑷蓄电池：是UPS储能装置。UPS的蓄电池应具有良好的大电流放电特性，经得住反复地充放电，寿命要长，目前常用免维护密封式铅酸蓄电池；⑸转换开关：是提供维修通道。要求切换快、过载能力大。a.静态旁路开关：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，是小型继电器毫秒级的转换时间的千分之一左右。因此，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。b.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。
2UPS的分类
2.1后备式
⑴基本原理：UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转由电池逆变供电。⑵特点：结构简单，运行效率高、成本低，适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，输出波形一般为方波。
2.2在线互动式
⑴基本原理：在输入市电正常时，UPS的逆变器处于整流工作状态，给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转为逆变状态，将电池组电能转换为交流电输出。
⑵特点：同后备式UPS相比，在线互动式UPS的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，但同样存在切换时间。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，但其稳频特性能不是十分理想。
2.3在线式
⑴基本原理：UPS先将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出；在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。⑵组成：由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成。⑶特点：极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，适合电源要求较高的场合，成本较高。目前功率3KVA以上几乎都是在线式。
3UPS的供电方式
多台UPS并联冗余供电；UPS双总线模式供电；UPS单机供电等。
4UPS对前级供电系统的要求
⑴前级供电系统电源电压及频率应稳定在正常范围内。一般地讲，大容量UPS主机输入电压范围应为380V士15%。电压过低将使UPS后备蓄电池频繁放电，最终因长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命；相反，电压过高则易引起逆变器损坏。如果通信机房的前级电网在电压范围上达不到要求，应在UPS前级配置合适的抗干扰交流稳压电源，不宜采用磁饱和稳压器，因为这类稳压器在开机时可产生瞬时高压，输出波形失真度也较大，易造成UPS故障。
⑵前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载。电梯、频繁开启的空调等在开、关机时会出现瞬间高、低压，使供电线路上电压波形失真度过大，造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作，进而引起同步控制电路故障。在有条件的情况下，宜将UPS电源尽可能置于电网输入的前端或采用独立的供电回路。
5UPS容量的确定
UPS的容量要满足当前负载的需要，同时也要考虑以下几个因素。
⑴负载性质对UPS输出功率的影响，大部分UPS生产厂家在产品说明书中所给的输出功率都是指负载功率因数为0.8（滞后，感性电路中电流的相位滞后于电压）时的值，而UPS电源实际可带的负载量是与负载功率因数密切相关的，所以在考虑UPS容量时，对不同的负载功率因数要进行功率折算。通常可进行这样的估算：假设负载功率因数为0.8UPS额定功率为1KW时，输出功率为0.74～0.77KW，则当功率因数为0.9和1.0时，输出功率为0.9～0.92KW。对于冲击类负载，只要负载的峰值系数在UPS允许的范围内UPS基本上可以输出额定功率。
⑵UPS容量不宜过小；以免使其长期处于重载运行状态。这样虽可节省部分投资，但由于逆变器处于重载运行状态，其输出波形将发生畸变，输出电压幅值抖动过大。这样既不能为负载提供优质电源，又极易造成UPS逆变器末级驱动元件损坏。UPS负载量不宜长期超过其额定容量的80%。
1UPS基本组成
由AC-DC整流器、DC-AC逆变器、控制电路、蓄电池和转换开关等部分组成。⑴AC-DC整流器：将电网来的交流电全波整流、滤波变为直流电，供给逆变电路；⑵DC-AC逆变器：大功率MOSFET或IGBT逆变电路，其作用是变直流为交流输出，输出阻抗小，具有较大功率富余量和快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作；⑶控制电路：完成整机功能控制，提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号，完成正弦脉宽调制SPWM的控制，采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性；⑷蓄电池：是UPS储能装置。UPS的蓄电池应具有良好的大电流放电特性，经得住反复地充放电，寿命要长，目前常用免维护密封式铅酸蓄电池；⑸转换开关：是提供维修通道。要求切换快、过载能力大。a.静态旁路开关：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，是小型继电器毫秒级的转换时间的千分之一左右。因此，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。b.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。
2UPS的分类
2.1后备式
⑴基本原理：UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电超出其工作范围或停电时，通过转换开关转由电池逆变供电。⑵特点：结构简单，运行效率高、成本低，适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，输出波形一般为方波。
2.2在线互动式
⑴基本原理：在输入市电正常时，UPS的逆变器处于整流工作状态，给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转为逆变状态，将电池组电能转换为交流电输出。
⑵特点：同后备式UPS相比，在线互动式UPS的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，但同样存在切换时间。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，但其稳频特性能不是十分理想。
2.3在线式
⑴基本原理：UPS先将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出；在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。⑵组成：由整流滤波电路、逆变器、输出变压器及滤波器、静态开关、充电电路、蓄电池组和控制监测、显示告警及保护电路组成。⑶特点：极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，适合电源要求较高的场合，成本较高。目前功率3KVA以上几乎都是在线式。
3UPS的供电方式
多台UPS并联冗余供电；UPS双总线模式供电；UPS单机供电等。
4UPS对前级供电系统的要求
⑴前级供电系统电源电压及频率应稳定在正常范围内。一般地讲，大容量UPS主机输入电压范围应为380V士15%。电压过低将使UPS后备蓄电池频繁放电，最终因长期处于欠压充电状态而大大缩短它的使用寿命；相反，电压过高则易引起逆变器损坏。如果通信机房的前级电网在电压范围上达不到要求，应在UPS前级配置合适的抗干扰交流稳压电源，不宜采用磁饱和稳压器，因为这类稳压器在开机时可产生瞬时高压，输出波形失真度也较大，易造成UPS故障。
⑵前级供电系统中不应当带有别的频繁启动负载。电梯、频繁开启的空调等在开、关机时会出现瞬间高、低压，使供电线路上电压波形失真度过大，造成UPS市电旁路供电与逆变器供电转换控制电路误动作，进而引起同步控制电路故障。在有条件的情况下，宜将UPS电源尽可能置于电网输入的前端或采用独立的供电回路。
5UPS容量的确定
UPS的容量要满足当前负载的需要，同时也要考虑以下几个因素。
⑴负载性质对UPS输出功率的影响，大部分UPS生产厂家在产品说明书中所给的输出功率都是指负载功率因数为0.8（滞后，感性电路中电流的相位滞后于电压）时的值，而UPS电源实际可带的负载量是与负载功率因数密切相关的，所以在考虑UPS容量时，对不同的负载功率因数要进行功率折算。通常可进行这样的估算：假设负载功率因数为0.8UPS额定功率为1KW时，输出功率为0.74～0.77KW，则当功率因数为0.9和1.0时，输出功率为0.9～0.92KW。对于冲击类负载，只要负载的峰值系数在UPS允许的范围内UPS基本上可以输出额定功率。
⑵UPS容量不宜过小；以免使其长期处于重载运行状态。这样虽可节省部分投资，但由于逆变器处于重载运行状态，其输出波形将发生畸变，输出电压幅值抖动过大。这样既不能为负载提供优质电源，又极易造成UPS逆变器末级驱动元件损坏。UPS负载量不宜长期超过其额定容量的80%。