大中型UPS原理分析

大中型UPS原理分析
(UPS技術(shù)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(tǒng)框圖與小型在線式UPS差不多，如圖4－1所示。有市電時(shí)，市電經(jīng)整流器、逆變器給負(fù)載供電。當(dāng)市電中斷或者超限時(shí)，整流器停止工作，蓄電池電能經(jīng)逆變后繼續(xù)給負(fù)載供電；當(dāng)UPS故障時(shí)，市電通過(guò)旁路直接給負(fù)載供電。

2大中型UPS整流濾波電路

　　大型UPS中廣泛應(yīng)用三相橋式全控整流電路，如圖4－2所示。

　　當(dāng)控制角α=0時(shí)，其工作過(guò)程與三相橋式不控整流電路相同，在自然換相點(diǎn)換相。當(dāng)控制角α>0時(shí),每個(gè)晶閘管都從自然換相點(diǎn)向后移α角開(kāi)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(jì)算Ud更簡(jiǎn)單，由于ud波形每隔60°重復(fù)一次，Ud的計(jì)算只要在π/3范圍內(nèi)取平均值即可。　　在三相星形接法的電路中，線電壓較其相應(yīng)的相電壓超前30°，例如30°?，F(xiàn)將線電壓uab的零點(diǎn)作為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，即比原來(lái)以相電壓ua零點(diǎn)的坐標(biāo)提前30°。因此在新坐標(biāo)上，自然換相點(diǎn)的位置在ωt=π/3處。

2.1電阻性負(fù)載

　?。?）當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

式中U2——變壓器T次級(jí)相電壓；

　　U2L——次級(jí)線電壓。

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

2.2電感性負(fù)載

　　對(duì)于電感性負(fù)載,由于電流是連續(xù)的,晶閘管的導(dǎo)通角總是2π/3,上式的積分上限可以超過(guò)π,仍為(2π/3)＋α,故=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

　　可見(jiàn)電感性負(fù)載時(shí)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(hào)：TM92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)08?428?05

圖4－1大、中型UPS系統(tǒng)框圖

整流元件,這是因?yàn)榇笕萘縐PS充電器的輸出電壓一般高達(dá)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(fù)雜，但由于大功率UPS本身造價(jià)較高，控制電路設(shè)計(jì)得稍微復(fù)雜一些并不會(huì)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(gè)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(duì)三相橋輸出的充電電壓和電流進(jìn)行采樣，然后將采樣的結(jié)果送到控制電路；控制電路，其功能是根據(jù)采樣電路送來(lái)的電壓和電流信號(hào)去控制三相橋式全控整流器，以調(diào)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(gè)階段：初期由于電池放電后損失較大，急需補(bǔ)充，故需充電電流較大，如不限流就會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，故這一階段為恒流充電；當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)計(jì)值（一般為浮充電壓，每個(gè)電池單元為2.25V)時(shí)就轉(zhuǎn)為恒壓充電，其充電電流由式（4－1）決定；蓄電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的恒壓充電，當(dāng)其端電壓上升到某一值時(shí)就轉(zhuǎn)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(nèi)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(duì)于鉛酸蓄電池為0.1C,對(duì)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(kāi)關(guān)型降壓斬波器，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)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(jiān)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：

　?。?）根據(jù)放電電流自動(dòng)修正放電終止電壓；

　?。?）根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)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(shù)

　　大、中型UPS逆變器控制電路，除采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)外，波形疊加技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，波形疊加技術(shù)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(duì)應(yīng)用較多的脈寬階梯混合波作一介紹。

　　這種逆變器是結(jié)合階梯波的高效率和脈寬調(diào)制的低價(jià)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(diào)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(jí)）

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(gè)半橋產(chǎn)生相同的調(diào)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(guī)律。

　　當(dāng)兩組脈沖同相時(shí)，

Uout=UA－UD=0

　　當(dāng)兩組脈沖反相時(shí)，

Uout=UA－UD=2E

　　當(dāng)UA和UD的相位差在0－180°之間變化時(shí),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(gè)“開(kāi)關(guān)對(duì)”[圖4－6（a）的簡(jiǎn)稱]似乎就夠了，但在中大功率UPS中多半需要三相輸出，在實(shí)用中每一個(gè)調(diào)寬波（UA或UD）都用一個(gè)全橋逆變器給出，而三相就需要6個(gè)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(shí)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(jīng)變壓器濾波后輸出正弦波。這種變壓器繞制時(shí)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?。ㄐ∮?％）。這是因?yàn)檩敵鲎儔浩鞒跫?jí)接成△型，次級(jí)接成Y型，這種經(jīng)△/Y變換的波形，3次及3的倍數(shù)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(shí)，直流電源E由整流電路提供，市電中斷時(shí)，直流電源由蓄電池提供。輸出變壓器初級(jí)接成三角形，次級(jí)接成星型。

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

　　t0～t1期間，ub1>0,ub6>0,ub5>0,ub2=0,ub4=0,ub3=0,S1，S6，S5導(dǎo)通，S2，S3，S4截止。

　?。?）變壓器初級(jí)電流iAB沿著E＋→S1→變壓器初級(jí)繞組AB→S6→E－路徑流動(dòng)。由于S1，S6導(dǎo)通，故變壓器初級(jí)繞組AB兩端電壓為：

圖4－10梅蘭日蘭公司的EPS2000UPS的靜態(tài)開(kāi)關(guān)控制框圖

　　電源能量轉(zhuǎn)移到變壓器，變壓器次級(jí)繞組ao感應(yīng)出電壓為：

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

　?。?）變壓器初級(jí)電流iCB沿著E＋→S5→變壓器初級(jí)繞組CB→S6→E－路徑流動(dòng)。由于S5，S6導(dǎo)通，變壓器初級(jí)繞組CB兩端電壓為：　　電源能量轉(zhuǎn)移到變壓器，變壓器次級(jí)繞組bo感應(yīng)出電壓為：　　該電壓推動(dòng)的電流ibo沿著0→L→RL→b路徑流動(dòng)，變壓器中能量的一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分儲(chǔ)存在負(fù)載電感中。

　　由上述可見(jiàn)，3個(gè)導(dǎo)電臂中均有晶體管導(dǎo)通，二極管不通，負(fù)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(dòng)，負(fù)載電感中能量一部分消耗在負(fù)載電阻上，另一部分存儲(chǔ)在變壓器中，電流iAB也不能突變，它沿著B(niǎo)→D3→S1→A路徑流動(dòng)，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(dòng)，因此，電流iCB也不能突變，它沿著B(niǎo)→D3→S5→C路徑流動(dòng)，將變壓器能量消耗在回路電阻上。在上述過(guò)程中，由于D3續(xù)流，S3不能導(dǎo)通。由上述可見(jiàn)，3個(gè)導(dǎo)電臂中，2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通。

若負(fù)載電感L比較大，變壓器儲(chǔ)存能量比較多，維持D3導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)；反之，維持D3導(dǎo)通時(shí)間短。

　　在t2～t3期間，ub1>0,ub5>0,ub6>0,ub2=0,ub3=0,ub4=0。3個(gè)導(dǎo)電臂中，3個(gè)晶體管導(dǎo)通。兩相負(fù)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(jí)、次級(jí)輸出三組互差120°的正弦脈寬調(diào)制波。

②輸出uO脈沖頻率是驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(gè)晶體管導(dǎo)通，二極管不導(dǎo)通；

　　?第2種工作模式：2個(gè)晶體管導(dǎo)通，1個(gè)二極管導(dǎo)通；

　　?第3種工作模式：1個(gè)晶體管導(dǎo)通，2個(gè)二極管導(dǎo)通。

5大中型UPS的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

　　大、中型UPS靜態(tài)開(kāi)關(guān)一般使用電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。所謂電子式靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，是將一對(duì)反向并聯(lián)的快速晶閘管連接起來(lái)作為UPS在執(zhí)行由市電旁路供電至逆變器供電切換操作時(shí)的元件，由于快速晶閘管的接通時(shí)間為微秒級(jí)，同小型繼電器毫秒級(jí)的轉(zhuǎn)換時(shí)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(jìn)技術(shù)，可以對(duì)負(fù)載實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間為零的不間斷供電。在大型UPS中常用的兩種靜態(tài)開(kāi)關(guān)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(jīng)三組接觸器送到負(fù)載。與此同時(shí)，三相50Hz交流旁路電源經(jīng)三相靜態(tài)開(kāi)關(guān)（由三組反向并聯(lián)的晶閘管組成）也可送到負(fù)載。正常工作時(shí)，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(fù)載供電。只有當(dāng)UPS需要執(zhí)行由交流旁路電源供電至逆變器供電切換操作時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)短暫的（約幾毫秒～幾十毫秒）兩路交流電源在時(shí)間上重疊向負(fù)載供電的情況。為保證逆變器及靜態(tài)開(kāi)關(guān)的安全運(yùn)行，UPS的控制系統(tǒng)必須滿足下述的基本工作條件：

　　（1）由UPS逆變器所產(chǎn)生的50Hz正弦波電源應(yīng)隨時(shí)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(guān)系。因?yàn)橹挥性谶@樣的條件下才有可能使UPS在執(zhí)行由逆變器供電至市電交流旁路供電切換操作時(shí)，實(shí)現(xiàn)上述兩種交流電源間不存在任何瞬態(tài)電壓差或是在瞬態(tài)電壓差足夠小的條件下執(zhí)行安全切換操作要求。為此必須在UPS的系統(tǒng)控制中引入“鎖相同步”。

　　（2）UPS的控制電路應(yīng)具有分別執(zhí)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(zhì)量的交流旁路電源系統(tǒng)中正常運(yùn)行。

5.1同步切換方式

　　當(dāng)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(tài)時(shí),在需要執(zhí)行從交流旁路供電至逆變器供電切換操作前,用戶可通過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié)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(duì)于如圖4－10所示的控制系統(tǒng)而言，主控板首先向逆變器的輸出接觸器發(fā)出閉合操作命令。在此階段將會(huì)出現(xiàn)由交流旁路電源和逆變器同時(shí)向負(fù)載供電的狀況，以確保對(duì)負(fù)載的不間斷供電。在執(zhí)行上述同步切換操作時(shí)，很難滿足這兩種交流電源間的瞬態(tài)電壓差一直為零。因此，總會(huì)有一個(gè)或大或小的環(huán)流在這兩種電源之間流動(dòng)，該環(huán)流的大小可通過(guò)專門的電流檢測(cè)電路來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂齐娐肥窃陔娏鬟^(guò)零點(diǎn)上將處于交流旁路通道上的靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的晶閘管關(guān)斷，然后UPS才進(jìn)入由逆變器供電的正常工作狀態(tài)。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(chǎn)生重疊向負(fù)載供電的最長(zhǎng)時(shí)間，被控制在50Hz的半個(gè)周波之內(nèi)（即小于10ms)。當(dāng)UPS在運(yùn)行過(guò)程中，如果遇到輸出過(guò)載、短路、逆變器故障或用戶人為地關(guān)閉逆變器情況之一時(shí)，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(fā)出“關(guān)斷”命令信號(hào)的同時(shí)，也向位于交流旁路通道上的靜態(tài)開(kāi)關(guān)發(fā)出“閉合”命令。此時(shí)，由于輸出接觸器的關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間較慢（大約為80ms～100ms),而靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的快速晶閘管開(kāi)通時(shí)間很短（幾微秒至十幾微秒）的緣故，當(dāng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，接觸器尚未真正釋放，所以此時(shí)向負(fù)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?yàn)榇藭r(shí)的逆變器已處于自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)之中）及市電交流旁路電源。這段時(shí)間大約要持續(xù)20ms左右。此后，負(fù)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(tài)開(kāi)關(guān)如圖4－11所示。

　　對(duì)于圖4－11所示的控制系統(tǒng)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(tài)開(kāi)關(guān)來(lái)作為它們的切換元件。對(duì)于晶閘管而言，一旦它被觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)通狀態(tài)會(huì)一直維持到流過(guò)晶閘管的電流小于它的最小維持電流或者加在晶閘管陽(yáng)極上的電位低于陰極上的電位時(shí)，晶閘管才會(huì)重新恢復(fù)它的阻斷能力。因此對(duì)于采用由反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)而言，唯一確保晶閘管靜態(tài)開(kāi)關(guān)被“關(guān)斷”的條件是將流過(guò)它的電流降低到它的維持電流以下。因此，當(dāng)這種類型的UPS在執(zhí)行市電交流旁路供電?逆變器供電切換操作時(shí)，常采用如下控制原理：當(dāng)UPS的邏輯控制板上的控制電路在執(zhí)行切換操作命令時(shí)，它首先發(fā)出控制命令立即封鎖原來(lái)處于導(dǎo)通狀態(tài)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的晶閘管的觸發(fā)脈沖。與此同時(shí)，隨時(shí)檢測(cè)流過(guò)該晶閘管的電流，當(dāng)控制電路發(fā)現(xiàn)流過(guò)該晶閘管的電流過(guò)零時(shí)，立即向原來(lái)處于關(guān)斷狀態(tài)的靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的晶閘管發(fā)送觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)之間換流的切換操作。在這里，由于快速晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間僅是微秒數(shù)量級(jí)，所以在技術(shù)上是能實(shí)現(xiàn)向負(fù)載提供切換時(shí)間為零的連續(xù)供電要求的。

5.2不同步切換方式

　　當(dāng)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(tài)電壓差過(guò)大（如超過(guò)25V以上）時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)邏輯控制電路會(huì)發(fā)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(zhí)行切換操作的瞬間因環(huán)流過(guò)大而引發(fā)事故，如燒毀靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的晶閘管或逆變器中的末級(jí)驅(qū)動(dòng)晶體管模塊。現(xiàn)以圖4－10所示的控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)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(tài)開(kāi)關(guān)控制框圖

　　當(dāng)UPS需從逆變器供電向市電交流旁路供電切換時(shí)，是采用“先斷開(kāi)后接通”的控制方式來(lái)執(zhí)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(kāi)，然后在經(jīng)過(guò)0.2s?0.8s的時(shí)間延遲后,才讓處于市電交流旁路通道上的靜態(tài)開(kāi)關(guān)中的晶閘管導(dǎo)通。因此，當(dāng)UPS在執(zhí)行不同步切換操作時(shí)，對(duì)用戶的供電而言，它有可能會(huì)出現(xiàn)0.2s～0.8s的供電中斷。