大功率UPS

1 引言

UPS（ UninterruptedPower Supply ）又称不间断电源，它通常被置于市电电网和用电负载之间，其目的是改善对负载的供电质量，并在市电故障时，保证负载设备的正常运行。随着现代工业的发展，供电网络的负载越来越复杂，特别是大型用电设备的启动和停止，大型可控电力电子设备的应用以及网络内部噪声会使交流正弦波发生畸变 。另外，自然界的雷电，电网的接地不良等因素均影响到电网的供电质量。由于以上因素的影响，可能会导致接在电网上的计算机设备，包括通信﹑医疗﹑金融﹑武器控制等精密的仪器设备发生失控﹑丢失数据﹑停机﹑损坏等严重后果，直接影响用户的正常工作，造成严重的经济损失。随着现代网络技术和信息产业的进一步发展，供电中断所带来的损失的也变的越来越严重。 UPS 就是为了解决供电系统存在的问题应运而生的，至今已经历了几十年的发展历程。

精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的，即使是一台普通电脑，其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。而且UPS系统并不是只有当停电时才有动作的，前面所提到的市电异常，包含了市电电压过低、过高、突波、噪声等，足以影响设备正常运作的电源品质，因此UPS的重要性可见一斑。

2 UPS原理及分类

2.1 UPS的性能要求及主要组成部分

从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，目前技术成熟并已形成产品的各种UPS主要有4大类：后备式UPS、在线互动式UPS、双变换在线式UPS以及双向变换串并联补偿式UPS(Delta变换器)。理想的UPS应具备以下性能：

1.在正常或后备工作方式下，即使给非线性负载供电，UPS输出可控正弦电压且总谐波畸变率小。

2.市电故障时无间隔地从充电工作方式过渡到后备工作方式，反之亦同。

3.对于任意负载，在备用工作方式下，UPS输入电流正弦波，THD值小且功率因数为1。

UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲

的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主动自检故障后的旁路开关等开关控制。

在电网电压工作正常时，UPS在给负载供电的同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池供给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。 2.2 UPS的分类 2.2.1 后备式UPS

后备式UPS是静态UPS的最初形式，他是一种以市电供电为主的电源形式，主要由充电器、蓄电池、逆变器以及变压器抽头调压式文雅电源四部分组成。当电网电压正常时，UPS把市电经简单稳压处理后直接供给负载；当电网故障火供电中断时，系统才通过转换开关切换为逆变器供电。工作原理如下图所示。

图2.1 后备式

2.2.2在线互动式UPS

在线互动式UPS省去了整流器和充电器，而由一个可运行于整流状态和逆变状态的双向变换器配以蓄电池构成。当市电输入正常时，双向变换器处于反向工作，给电池组充电；当市电异常时，双向变换器立即转换为逆变工作状态，将电池电能装换为交流电输出，其工作原理如下图所示。

图2.2 在线互动式 2.2.3双变换在线式UPS

目前大容量UPS大多采用这种结构形式。该UPS一般来说由整流器、充电器、蓄电池、逆变器等几部分组成，他是一种以逆变器供电为主的电源形式。当市电正常供电时，市电一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后再送给负载。仅仅在逆变器出现故障时，才通过转换开关切换为市电旁路供电。其工作原理如下图所示

图2.3 双变换在线式

2.2.4 Delta变换式UPS

Delta变换式UPS是一种最新的UPS结构形式。Delta变换式UPS成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到UPS主电路中，引入了一个四象限变换器。当市电正常时，Delta变换式UPS既起到了给蓄电池充电的作用，同事也起到了补偿电网波动和干扰的作用，在市电输出时，也能保证供给负载的电能质量。其工作原理如下图所示。

图2.4 Delta变换式

2.3 大中型UPS的工作原理

大中型UPS多为在线式，其系统框图与小型在线式UPS差不多，如下图所示。有市电时，市电经整流器、斩波器、逆变器给负载供电；当市电中断时或者超限时，整流器停止工作，蓄电池电能经逆变后继续给负载供电；当UPS故障时，市电通过旁路直接给负载供电。

2.4 典型UPS性能对比

各种典型UPS在市电正常时的主要性能归纳如下：

UPS类型 后备式 容量范输出电压质量 围/Kv·A <2 稳压精度： ±(4%~7%) 有波形畸变和干扰 输入功率因数 低 切换时间 长 效率和过载能力 高 双变换在线式 0.7~1500 稳压精度：±1% 波形畸变率小 完全不受电网干扰 0.7~20 根据有误功率因数校正措施而不同 无 低 在线互动式 稳压精度：±20% 由负载决定 有波形畸变和干扰稳压 稳压精度：±1% 波形畸变率小 受电网干扰小 高 短 高 Delta变换式 10~480 无 低

通过对各种典型UPS主要性能的比对，并参照本次设计所要求

的参数，本设计将以双变换在线式UPS为基础进行设计。

3 AC/DC变换器设计

3.1 三相全控整流电路

大中型UPS中广泛应用三相桥式全控整流滤波电路，如下图所示。当控制较a等于零时，其工作过程与三相桥式不控整流滤波电路相同，在自然幻想点换相。当控制角a大于零时，每个晶闸管都从自然换向点后移a角开始换相。不管a为何值，电压Ud都是线电压的一部分，所以从线电压入手计算Ud更简单。由于Ud波形每隔60°重复一次，Ud的计算只要在π/3范围内取平均值即可。在三相星型接法的电路中，先带你呀较其相应的相电压超前30°。现将线电压Uab的零点作为新坐标的远点，即从原来以相电压Ua零点的坐标提前30°。因此在新坐标上，自然换相点的位置在wt等于π/3处。

1)电阻性负责

当0≤a≤π/3时，有

Ud=2.34Ucos a=1.35Ulcos a 式中：U2——变压器T次级相电压； U2l——变压器T次级线电压。

当π/3＜a＜2π/3时，整流只能在正半周进行；当a等2π/3于

2π/3时，Ud=0，从上面的公式也可看出电阻负载的最大移向范围是120°。 2）电感性负载

对于电感性负载，由于电流是连续的，晶闸管的导通角总是2π/3，上式的积分上限可以超过π，仍为2π/3+a。

Ud=2.34Ucos a=1.35Ulcos a

可见电感性负载时的最大移向范围为90°。 3.2 PWM整流电路

由于相控式整流电路结构简单，控制技术成熟，单交流输入功率因数低，并想电网诸如大量的谐波电流。为克服上述缺点，国内部分公司采用高频PWM整流电路，研制出30~100kVA单项输出的大功率UPS。该UPS除了具有完美的输出特性外，还具有交流输入电流接入功率因数接近1的有点。

PWM电路结构如下图。开关器件采用IGBT。

PWM

整流电路的控制方法有直接电流控制和间接电流控制两

种。直接电流控制法引入交流输入电流反馈进行闭环控制，其电流指令运算电流比不引入交流反馈的间接电流控制法简单。下图给出了

PWM整流电路控制系统的一相结构见图。该电路采用双闭环控制，其外环为直流电压控制环，内环为交流电流控制环。直流输出电压给定信号Ud和实际的直流电压U1比较厚的误差信号输入P1调节器，P1调节器的输出即为整流器交流输入电流的给定信号，与实际的交流输入电流比较，电流误差信号经比例调节器放大后送入比较器，再与三角载波信号经比较行程PWM信号。该信号经驱动电路后去驱动主电路开关器件，使实际交流输入电流跟踪指令值，同时达到控制输出电压的目的。

3.3 PWM整流电路主要技术特性

UPS由于采用了先进的PWM整流电路，具有比采用相控整流电路的UPS更优的输入特性，主要表现在：

1.具有完美的正弦波输入电流，极大的减少了UPS对电网的谐波污染。

2.输入功率因数近似于1，使得UPS与电网之间几乎没有无功传递，可以降低电源系统变压器的容量，大幅度减少无功损耗。 3.输入电压范围宽，更适合于电网电压剧烈波动的地区。 4.整流输出电流电压波纹小，可延长蓄电池使用寿命。

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