大中型UPS原理分析
(UPS技術講座四)

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1大中型UPS工作原理

　　大、中型UPS多為在線式，其系統框圖與小型在線式UPS差不多，如圖4－1所示。有市電時，市電經整流器、逆變器給負載供電。當市電中斷或者超限時，整流器停止工作，蓄電池電能經逆變后繼續給負載供電；當UPS故障時，市電通過旁路直接給負載供電。

2大中型UPS整流濾波電路

　　大型UPS中廣泛應用三相橋式全控整流電路，如圖4－2所示。

　　當控制角α=0時，其工作過程與三相橋式不控整流電路相同，在自然換相點換相。當控制角α>0時,每個晶閘管都從自然換相點向后移α角開始換相。不管α為何值，電壓Ud都是線電壓的一部分。所以，從線電壓入手計算Ud更簡單，由于ud波形每隔60°重復一次，Ud的計算只要在π/3范圍內取平均值即可。　　在三相星形接法的電路中，線電壓較其相應的相電壓超前30°，例如30°。現將線電壓uab的零點作為新坐標的原點，即比原來以相電壓ua零點的坐標提前30°。因此在新坐標上，自然換相點的位置在ωt=π/3處。

2.1電阻性負載

　　（1）當0≤α≤π/3時，=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

式中U2——變壓器T次級相電壓；

　　U2L——次級線電壓。

　　（2）當π/3<α <2π /3時 ， 整 流 只 能 在 正 半 周 進 行 ， 故 　　當α=2π/3時Ud=0，從公式亦可看出電阻負載的最大移相范圍是120°。

2.2電感性負載

　　對于電感性負載,由于電流是連續的,晶閘管的導通角總是2π/3,上式的積分上限可以超過π,仍為(2π/3)＋α,故=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

　　可見電感性負載時的最大移相范圍為90°。

3大中型UPS充電電路

3.1大型UPS充電電路

　　大容量UPS的充電電路,一般采用晶閘管作為

中圖法分類號：TM92文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)08?428?05

圖4－1大、中型UPS系統框圖

整流元件,這是因為大容量UPS充電器的輸出電壓一般高達幾百伏,充電電流為幾十安培。在大功率UPS中一般都將充電器和整流器合二為一，雖然這使得其控制電路較為復雜，但由于大功率UPS本身造價較高，控制電路設計得稍微復雜一些并不會明顯增加成本。圖4－3所示為大功率UPS中的充電器方框圖。

圖4－2三相橋式全控整流電路

圖4－3三相橋式全控整流充電電路框圖

　　由圖中可以看出，此充電器分為3個主要部分，即三相橋式全控整流器，由V1－V6和濾波電感L1，L2組成；采樣電路，其功能是對三相橋輸出的充電電壓和電流進行采樣，然后將采樣的結果送到控制電路；控制電路，其功能是根據采樣電路送來的電壓和電流信號去控制三相橋式全控整流器，以調整其輸出電壓和充電電流。該電路的充電曲線如圖4－4所示。

圖4－4某大容量UPS充電曲線

　　該曲線表明，大功率UPS的充電分為3個階段：初期由于電池放電后損失較大，急需補充，故需充電電流較大，如不限流就會嚴重影響蓄電池的使用壽命，故這一階段為恒流充電；當電壓到達設計值（一般為浮充電壓，每個電池單元為2.25V)時就轉為恒壓充電，其充電電流由式（4－1）決定；蓄電池經過一段時間的恒壓充電，當其端電壓上升到某一值時就轉為浮充充電。(4－1)

　　式中：IB為充電電流；Uch為恒壓充電期間的充電電壓；UB為電池組端電壓；r為蓄電池組內阻和線路電阻之和。

圖4－5脈沖階梯混合波

　　充電初期的充電電流IBmax，對于鉛酸蓄電池為0.1C,對鎳鎘蓄電池為0.2C。

圖4－6混合波的形成

(a)電路原理圖(b)波形圖

3.2中型UPS充電電路

　　這里以梅蘭日蘭Comet系列UPS充電器為例，其充電電路采用開關型降壓斬波器，可自動實現恒流恒壓充電（具體電路略）。該充電器由于采用了微處理器監控，它除了具有一般充電器所要求的恒流恒壓充電功能外，還具有以下功能：

　　（1）根據放電電流自動修正放電終止電壓；

　　（2）根據環境溫度自動修正浮充電壓。

4大中型UPS逆變器

4.1大中型UPS中的逆變控制技術

　　大、中型UPS逆變器控制電路，除采用三相正弦脈寬調制技術外，波形疊加技術也得到了廣泛應用，波形疊加技術有疊加式階梯波、離散型階梯波、脈寬階梯混合波等多種。這里對應用較多的脈寬階梯混合波作一介紹。

　　這種逆變器是結合階梯波的高效率和脈寬調制的低價格而采取的一種折衷方案，由于混合式的逆變頻率較低，因而噪聲較大。它的體積略大于脈寬調制

圖4－7三相輸出混合波的情況

(a)電路圖（b）波形圖（變壓器初級）

圖4－8三相橋式逆變電路

圖4－9三相橋式逆變電路主要波形

式而小于階梯式，多用于中大容量的UPS。脈寬階梯混合波的波形如圖4－5所示。

　　圖4－6（a)為電路原理圖，圖中S1,S2,S3,和S4分別組成半橋電路，兩個半橋產生相同的調寬波UA和UD，這里取輸出電壓，Uout=UA－UD

　　由圖4－6（b）可以看出UA和UD均反映出正弦波的規律。

　　當兩組脈沖同相時，

Uout=UA－UD=0

　　當兩組脈沖反相時，

Uout=UA－UD=2E

　　當UA和UD的相位差在0－180°之間變化時,其幅度就在0－2E之間變化。如果輸出為單相交流電壓，有這樣一個“開關對”[圖4－6（a）的簡稱]似乎就夠了，但在中大功率UPS中多半需要三相輸出，在實用中每一個調寬波（UA或UD）都用一個全橋逆變器給出，而三相就需要6個這樣的全橋逆變器，如圖4－7所示。圖4－7（a）是它的電路圖，而4－7（b）是線電壓（兩相電壓相差120°時的疊加)。

　　由圖4－7（b）的波形可以看出：正弦波的輪廓很明顯，這種電壓經變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時故意做成有一定的漏感，以便和變壓器輸出端的電容形成LC濾波器，從而省去了體積龐大的濾波電感，而且輸出的正弦波電壓失真度很小（小于3％）。這是因為輸出變壓器初級接成△型，次級接成Y型，這種經△/Y變換的波形，3次及3的倍數次諧波都被抑制了，而5次和7次諧波為零，故不需要多大的濾波器即可。

4.2大中型UPS逆變電路

　　三相橋式逆變電路是中、大容量UPS逆變器的基本電路，這里以三相橋式逆變電路為例，如圖4－8所示，它是由直流電源E，3塊兩單元晶體管模塊S1～S6，輸出變壓器T組成。市電正常供電時，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級接成三角形，次級接成星型。

　　S1～S6的基極b1－b6分別加上正弦脈寬觸發信號，其波形如圖4－9所示。工作過程如下：

　　t0～t1期間，ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1，S6，S5導通，S2，S3，S4截止。

　　（1）變壓器初級電流iAB沿著E＋→S1→變壓器初級繞組AB→S6→E－路徑流動。由于S1，S6導通，故變壓器初級繞組AB兩端電壓為：

圖4－10梅蘭日蘭公司的EPS2000UPS的靜態開關控制框圖

　　電源能量轉移到變壓器，變壓器次級繞組ao感應出電壓為：

　　該電壓推動的電流iao沿著a→RL→L→0路徑流動，變壓器中能量的一部分消耗在負載電阻上，另一部分儲存在負載電感中。

　　（2）變壓器初級電流iCB沿著E＋→S5→變壓器初級繞組CB→S6→E－路徑流動。由于S5，S6導通，變壓器初級繞組CB兩端電壓為：　　電源能量轉移到變壓器，變壓器次級繞組bo感應出電壓為：　　該電壓推動的電流ibo沿著0→L→RL→b路徑流動，變壓器中能量的一部分消耗在負載電阻上，另一部分儲存在負載電感中。

　　由上述可見，3個導電臂中均有晶體管導通，二極管不通，負載從直流電源中獲取能量。

　　在t1～t2期間，ub1>0,ub3>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub6=0。由于S6截止，iao要減小，但是iao不能突變，仍沿著a→RL→L→0路徑流動，負載電感中能量一部分消耗在負載電阻上，另一部分存儲在變壓器中，電流iAB也不能突變，它沿著B→D3→S1→A路徑流動，將變壓器能量消耗在回路電阻上。與上述類似，由于S6截止，ibo要減小，但是ibo不能突變，仍沿著0→L→RL→b路徑流動，因此，電流iCB也不能突變，它沿著B→D3→S5→C路徑流動，將變壓器能量消耗在回路電阻上。在上述過程中，由于D3續流，S3不能導通。由上述可見，3個導電臂中，2個晶體管導通，1個二極管導通。

若負載電感L比較大，變壓器儲存能量比較多，維持D3導通時間長；反之，維持D3導通時間短。

　　在t2～t3期間，ub1>0,ub5>0,ub6>0,ub2=0,ub3=0,ub4=0。3個導電臂中，3個晶體管導通。兩相負載均從電源E獲取能量。

　　輸出波形uAB如圖4－9所示。由圖看出：

①變壓器初級、次級輸出三組互差120°的正弦脈寬調制波。

②輸出uO脈沖頻率是驅動信號脈沖頻率的兩倍。

③逆變器具有3種工作模式：

　　?第1種工作模式：3個晶體管導通，二極管不導通；

　　?第2種工作模式：2個晶體管導通，1個二極管導通；

　　?第3種工作模式：1個晶體管導通，2個二極管導通。

5大中型UPS的靜態轉換開關

　　大、中型UPS靜態開關一般使用電子式靜態轉換開關。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。在大型UPS中常用的兩種靜態開關控制框圖（三相中的一相）如圖4－10所示。從此圖可以看出，三相UPS逆變器的輸出電壓經三組接觸器送到負載。與此同時，三相50Hz交流旁路電源經三相靜態開關（由三組反向并聯的晶閘管組成）也可送到負載。正常工作時，只有逆變器供電通道或交流旁路電源通道之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～幾十毫秒）兩路交流電源在時間上重疊向負載供電的情況。為保證逆變器及靜態開關的安全運行，UPS的控制系統必須滿足下述的基本工作條件：

　　（1）由UPS逆變器所產生的50Hz正弦波電源應隨時保持與市電50Hz交流旁路電源的同頻率、同相位、同幅度和較小正弦波失真度的關系。因為只有在這樣的條件下才有可能使UPS在執行由逆變器供電至市電交流旁路供電切換操作時，實現上述兩種交流電源間不存在任何瞬態電壓差或是在瞬態電壓差足夠小的條件下執行安全切換操作要求。為此必須在UPS的系統控制中引入“鎖相同步”。

　　（2）UPS的控制電路應具有分別執行同步切換和非同步切換的能力，以確保UPS能在具有不同供電質量的交流旁路電源系統中正常運行。

5.1同步切換方式

　　當UPS的逆變器輸出電壓與市電交流旁路電源電壓處于鎖相同步工作狀態時,在需要執行從交流旁路供電至逆變器供電切換操作前,用戶可通過仔細調節UPS逆變器的輸出電壓,使它的輸出電壓值等于交流旁路電源電壓或者使逆變器的輸出電壓稍高于交流旁路電源電壓(一般控制在5V～10V左右)。對于如圖4－10所示的控制系統而言，主控板首先向逆變器的輸出接觸器發出閉合操作命令。在此階段將會出現由交流旁路電源和逆變器同時向負載供電的狀況，以確保對負載的不間斷供電。在執行上述同步切換操作時，很難滿足這兩種交流電源間的瞬態電壓差一直為零。因此，總會有一個或大或小的環流在這兩種電源之間流動，該環流的大小可通過專門的電流檢測電路來進行實時監控。控制電路是在電流過零點上將處于交流旁路通道上的靜態開關中的晶閘管關斷，然后UPS才進入由逆變器供電的正常工作狀態。采用這種“先合后斷”的切換控制方式，可以確保上述兩種交流電源產生重疊向負載供電的最長時間，被控制在50Hz的半個周波之內（即小于10ms)。當UPS在運行過程中，如果遇到輸出過載、短路、逆變器故障或用戶人為地關閉逆變器情況之一時，由控制電路在向逆變器本身及位于逆變器供電通道上的輸出接觸器發出“關斷”命令信號的同時，也向位于交流旁路通道上的靜態開關發出“閉合”命令。此時，由于輸出接觸器的關斷響應時間較慢（大約為80ms～100ms),而靜態開關中的快速晶閘管開通時間很短（幾微秒至十幾微秒）的緣故，當靜態開關閉合時，接觸器尚未真正釋放，所以此時向負載提供能量的電源有逆變器輸出濾波電容上的殘余電壓（因為此時的逆變器已處于自動關機狀態之中）及市電交流旁路電源。這段時間大約要持續20ms左右。此后，負載則完全由市電交流旁路電源供電了。另一類大、中型UPS靜態開關如圖4－11所示。

　　對于圖4－11所示的控制系統而言，由于在它的逆變器供電和市電交流旁路供電通道上都采用靜態開關來作為它們的切換元件。對于晶閘管而言，一旦它被觸發導通，導通狀態會一直維持到流過晶閘管的電流小于它的最小維持電流或者加在晶閘管陽極上的電位低于陰極上的電位時，晶閘管才會重新恢復它的阻斷能力。因此對于采用由反向并聯的晶閘管構成的靜態開關而言，唯一確保晶閘管靜態開關被“關斷”的條件是將流過它的電流降低到它的維持電流以下。因此，當這種類型的UPS在執行市電交流旁路供電?逆變器供電切換操作時，常采用如下控制原理：當UPS的邏輯控制板上的控制電路在執行切換操作命令時，它首先發出控制命令立即封鎖原來處于導通狀態的靜態開關中的晶閘管的觸發脈沖。與此同時，隨時檢測流過該晶閘管的電流，當控制電路發現流過該晶閘管的電流過零時，立即向原來處于關斷狀態的靜態開關中的晶閘管發送觸發脈沖，從而實現在兩個靜態開關之間換流的切換操作。在這里，由于快速晶閘管的導通時間僅是微秒數量級，所以在技術上是能實現向負載提供切換時間為零的連續供電要求的。

5.2不同步切換方式

　　當交流旁路電源電壓與逆變器輸出電壓之間的相位差超差(一般UPS允許的最大相位差在3.6°～15°之間）或上述兩種電壓間的瞬態電壓差過大（如超過25V以上）時，靜態開關邏輯控制電路會發出禁止切換命令。在這種情況下，由市電交流旁路供電至逆變器供電的切換操作只能采取不同步切換方式，以免在執行切換操作的瞬間因環流過大而引發事故，如燒毀靜態開關中的晶閘管或逆變器中的末級驅動晶體管模塊。現以圖4－10所示的控制系統為例來說明不同步切換的工作模式：

圖4－11利博特公司7400系列UPS的靜態開關控制框圖

　　當UPS需從逆變器供電向市電交流旁路供電切換時，是采用“先斷開后接通”的控制方式來執行切換操作的。即先讓位于逆變器供電通道上的接觸器斷開，然后在經過0.2s?0.8s的時間延遲后,才讓處于市電交流旁路通道上的靜態開關中的晶閘管導通。因此，當UPS在執行不同步切換操作時，對用戶的供電而言，它有可能會出現0.2s～0.8s的供電中斷。