第四章UPS技术概要ppt课件.ppt

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1、逆变电源技术,UPS技术概要,第四章,引言,在今后相当长的一段时间内,我国市电电网供电不足,电压波动大,干扰严重的局面仍将存在我国各行业，各领域的快速发展对供电质量提出了越来越高的要求,尤其是实时性很强的重要系统，重要部门和重要的用电设备对供电质量的要求与我国的电网实际状况的矛盾日益尖锐。间断电源越来越成为人们关注的焦点。,1. UPS发展概况,1.1 UPS的产生,随着科学技术的高速发展以及计算机、精密仪器、仪表设备及数据处理设备、自动化生产设备的广泛应用，用电设备对供电质量的要求越来越高。用电设备不仅要求供电电源能够不间断供电，而且还要求其输出电压波形、频率准确完好，不能受到电网的任何干扰

2、，要有一个干净的电源环境。然而由于公共电网自身的原因，以及雷击等一些自然现象的影响，公共电网不能满足用户对高精度高可靠性电源的要求。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（1）电涌（power surges）指输出电压有效值高于额定值110，并且持续时间为一个至数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时，电网因突然卸载而产生的高压冲击。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（2）高压尖脉冲（high voltage spikes）指峰值达6000V，持续时间从0.1ms至10ms的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电

3、或大型电气设备的开关操作而产生。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（3）暂态过电压（switching transients）指峰值电压高达20000V，但持续时间介于1s至100s的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决方法上会有区别。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（4）电压下陷（power sags）指市电电压有效值介于额定值的80至85之间的低压状态，并且持续时间为一个至数个周期。大型设备开机，大型电动机起动，或大型电力变压器接入都可能造成这种情况。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题

4、主要表现在一下几个方面：,（5）电线噪声（electrical line noise）系指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）以及其它各种高频干扰。电动机的运行、继电器的动作、电动机控制器的工作。广播发射，微波辐射以及电气风暴等，都会引起电线噪声干扰。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（6）频率偏移（frequency ariation）系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行，或由频率不稳定的电源供电所致。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（7）持续低电压（brownout）指市电电压有效值低于额定

5、值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大型设备起动及应用。主电力线切换，起动大型电动机、线路过载等。,1.1 UPS的产生,电网的供电质量问题主要表现在一下几个方面：,（8）市电中断（power fail）指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况，其产生原因有：线路上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障等。,1.1 UPS的产生,由于以上问题存在，使得负荷与电网供电质量之间的矛盾日益加深。为解决这一矛盾，产生了不间断电源(Uninterruptible Power Supply简称UPS)这种新型设备。,1.2 UPS的概念,UPS是什么？,UPS( Uninterruptible Pow

6、er Supply )，即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。 主要用于给单台计算机、计算机网络或其它重要设备提供不间断、高质量的电力供应以及作为机场、电站、医院等重要部门的备用电源。顾名思义，UPS可以给用电设备提供连续不间断的电能，保证电能供应的可靠性。 当市电输入正常时，UPS 将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电. 当市电中断( 事故停电 )时, UPS 立即将机内电池的电能,通过逆变转换的方法向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。供电中断只是电网故障之一，电网中存在的各

7、种污染和干扰也是造成用电器件损坏的主要因素。因此，UPS还必须能够消除电网干扰，给用电设备提供高质量的电能。换句话说，高可靠性和高质量是对UPS最基本的要求。,1.3 UPS的应用,UPS作为一种稳压稳频纯净化的电源现已成为供电系统的核心部分,受到了广泛的认可.在供电质量较佳的欧美和日本,已经将UPS作为标准设备.国内电网供电质量较差,UPS应用更是必不可少.UPS的典型应用有:金融系统，制造业，铁路交通系统，航空系统，石油/化工，煤矿开采，情报，邮电，水利，电力中心，医疗卫生，学校，研究所，商业楼宇，政府机关，军事设备等.,1.3 UPS的应用,1.4 UPS的主要功能,UPS的主要功能可以

8、归纳为以下4个方面：,隔离功能如图所示。大多数UPS都是将电网输入交流电压经过整流后变为直流电，一部分能量用于对蓄电池充电，剩余能量经过逆变器重新变为稳压稳频的交流电供应给负载。也就是说，电网通过UPS 给负载供电采用了交一直一交变换形式。由于经过整流和大电容滤波，电网中原来存在的瞬间间断、谐波、噪声、电压波动以及频率波动等干扰全部得到消除，供电质量完全取决于逆变器的电能变换能力。这样，UPS作为一个中间环节将电网与负载隔离开，既防止了电网干扰对负载的影响，又可使负载刘电网不产生干扰。,(1)隔离功能,1.4 UPS的主要功能,(2)后备功能,后备功能如图所示。UPS带有蓄电池，能够贮存一定的

9、能量。市电正常时，UPS除了从电网吸收能量变换处理后供给负载外，同时对蓄电池进行充电，将部分能量存储在蓄电池中。电网供电中断时，可以将蓄电池中存储的能量经过能量变换继续维持对负载供电一段时间起到后备电源的作用。根据装置中蓄电池和充电器的容量大小，后备时间可以是几分钟、几小时甚至更长。,1.4 UPS的主要功能,(3)频率变换功能：,频率变换功能可以将输入电压的频率变换成负载所需的频率。目前我国电网的频率是50Hz，而某些进口设备要求输入电压的频率为60Hz，军用设备输入电压的频率多为400Hz。要使这些设备正常工作，只需给该设备配备一套输出频率与其输入频率匹配的UPS即可。,(4)电压变换功能

10、,电压变换功能可以将一种电压等级的电能变换为另一种电压等级的电能。,1.5 UPS发展历史,20世纪60年代以前采用机械旋转型。最早的UPS采用了非常原始的机械储能方式，是带有一个大飞轮的电动机发电机组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮，平时由市电经过整流器给直流电动机供电，带动交流发电机向负载供电，当市电停电时利用飞轮的惯性使发电机继续供电,可以维持正常供电数秒钟。这种方式稳定可靠、技术简单、便于维修，但是设备庞大笨重、效率低、噪声大，现已基本淘汰。,机械旋转型UPS,1.5 UPS发展历史,70年代，逆变技术和晶闸管在中广泛应用。大功率半导体技术迅速发展，晶闸管的出现，使UPS技术产生第一次

11、飞跃，逆变技术不断完善，使其得到广泛应用，但是普通晶闸管不具备自关断特性，又缺乏抗千扰能力，影响UPS工作的可靠性。,1.5 UPS发展历史,近十多年来，大功率晶体管(GTR, VMOS和IGBT等)的出现，部分地取代了晶闸管，各种IC控制芯片的研制成功，微计算机的应用，并联及冗余技术的发展，使UPS性能又产生一次飞跃。现代的逆变式UPS问世后，在近十几年中得到了迅速发展。就其技术性能讲：它走过了从方波到正弦波、从离线式到在线式、从小功率到大功率、 从常规延时（分钟级）到长延时（小时级）、从简单不停电供电到智能化操作和处理功能的发展历程。,1.5 UPS发展历史,控制电路的发展随着蓄电池和半导

12、体技术的发展，其控制电路也发展很快，由开始的分立元件的简单控制发展到今天的微处理机控制，由硬件控制又发展成软件控制，如软件滤波器；光纤通讯也被引入UPS，而且，微处理机也已被广泛应用于小容量的UPS中，甚至还专门为蓄电池的监控设立了微处理机，以保持电池的最佳状态。,1.5 UPS发展历史,UPS的智能化发展随着计算机网络结构的扩展，现在在网络中应用的UPS不再只是单纯的电源设备，而逐步成为整个网络中电源的管理中心，UPS由最初单纯不间断供电已发展到今天的智能化、多功能。新型的UPS本身融合了多种新技术，UPS不仅是提供不间断电源的工具，而且当作为负载的设备。在无人值守时，当市电故障后，UPS可

13、以按照事先的约定顺序关机，甚至还可以自动发传呼或E-mail给管理者。现代的UPS与服务器上的软件协同工作，还能实现事件记录、故障告警、UPS参数自动测试分析、调节等多项功能，提供了完全的电源管理解决方案。有些UPS甚至可以对环境温度、湿度和烟雾等进行监视。,1.5 UPS发展历史,UPS的智能化还表现在加强UPS的节能功能即所谓“绿色UPS”上。“绿色UPS”可以减少PC系统使用的电能量，既降低了费用又保护了环境。比如“绿色UPS”在检测到打印机长时间空闲后,就会把打印机的电源关闭。当出现打印排队请求时，UPS可以马上给打印机恢复供电，随着“绿色UPS”的出现，为节约能源又提供了理想的解决方

14、案。,1.5 UPS发展历史,保护功能的变化UPS在技术不断发展和改进的过程中，其保护功能也在不断地发生变化，特别是在网络技术高速发展的今天，这种变化就更明显，下图显示了这个变化过程。1993年以前着重追求对硬件的保护，1993年开始，更多的用户把电源对数据的保护要求放在了最重要的地位。,1.6国内外UPS研究状况,由于UPS技术是一项实用技术,国内外各大电源公司,生产厂家以及科研院所都在对其进行研究.国外已经将许多先进技术应用到实际系统中,生产出了许多知名品牌的UPS.国内对UPS先进的关键技术的研究,主要集中在少数知名院校,且大多数处在实验阶段,没能将它们应用到实际系统中去.从目前国内市场

15、上看,国内生产厂商基本不能生产大型UPS,国内的大型UPS市场几乎全部被国外公司占领.对于中小型UPS来说,虽然国内许多生产厂家可以生产,但其产品的可靠性和性能远远不如国外的同类产品,整个中小型UPS市场90%以上都被国外公司占领.,2 UPS的分类,按功率大小可以分为：小功率（10KVA以下）、中功率（10100KVA）、大功率（100KVA以上）。按输出波形可以分为：方波，梯形波，正弦波。按输入输出方式可以分为：单相入单相出，三相入单相出，三相入三相出。按工作原理还可以分为：,动态UPS，静态UPS。,2 UPS的分类,静态UPS: 以蓄电池组为储能工具,市电正常时交流市电经整流后变为直流

16、电并将电能存储在蓄电池组中,当市电中断时再由逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电来维持向负载供电.动态UPS: 是依靠惯性飞轮存储的动能来维持负载电能供应的连续性的,这种不间断电源具有笨重，噪声大，效率低，切换时间长等缺点,已被静态不间断电源所取代.,2 UPS的分类,静态UPS根据工作方式的不同又可分为：,后备式(OFF-LINE)UPS.在线式(ON-LINE)UPS.在线互动式(LINEINTERACTIVE)UPS.Delta变换型UPS .,3 UPS的原理,3.1后备式UPS,后备式UPS电源是一种价格低廉,仅能满足一般客户要求的普及型UPS电源.一般使用的是工频变压器来进行

17、能量传递的,由于性能的限制,出于市场的考虑,容量一般只有0.5-2kVA左右.,后备式UPS电源框图,3 UPS的原理,3.1后备式UPS,后备式UPS电源框图,后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单,主要由滤波电路和多抽头变压器组成,滤波电路可对市电中的干扰起到一定的抑制作用,多抽头变压器则可以起到电压调节的功能,使UPS电源的输出电压在市电发生低频波动时也能维持稳定,但电网在频繁出现高次谐波时,由于工作原理的限制,显然后备式UPS是无能为力的了.,3.1后备式UPS,从性能上看,后备式UPS电源的稳压精度没有在线式的高,但是可以满足一般的应用需要.后备式UPS切换期间的输出会出现瞬

18、间掉电的现象.不过转换时间很短,一般只有几ms,并不会影响到普通计算机的正常工作,但对于服务器等高端设备来说,后备式UPS的供电质量是远远不够的.出于成本考虑,后备式UPS电源工作在逆变状态时输出电压波形失真比较大,廉价的系统电压输出波形多是方波,做得好的可以实现正弦波输出.后备式UPS电源由于在市电供电时不使用变换器,因此具有很高的效率,这一点是显而易见的.,3.1.1后备式UPS工作原理分析,（1）市电供电正常（市电电压处于 175264V 之间）时，后备式UPS工作状态如图所示：,市电供电正常后备式UPS工作状态,3.1.1后备式UPS工作原理分析,经充电器对位于 UPS 机内的蓄电池组

19、充电，以备一旦市电供电中断时，有能量支持 UPS 的正常运行。经位于交流旁路供电通道上的稳压器对电压变化起伏较大的市电电源进行稳压处理。在常见的后备式 UPS 电源中，由于各厂家的设计方案不同，位于交流旁路上的稳压器的稳压精度在 220V（410 )左右。此时，在 UPS 逻辑控制电路的作用下，这种经过稳压处理的市电电源便经转换开关向负载供电（转换开关由小型快速继电器构成，其转换时间为 24ms ）。此时，逆变器在逻辑控制电路的调控下，一直处于停机待命状态。,市电供电正常后备式UPS工作状态,3.1.1后备式UPS工作原理分析,(2)当市电供电不正常（市电电压低于 175V ，或高于 264V

20、 ）时，如图所示。在 UPS 逻辑控制电路的调控下， UPS 中的各关键部件将按下述方式运行：,市电供电不正常后备式UPS工作状态,3.1.1后备式UPS工作原理分析,市电供电不正常后备式UPS工作状态,充电器停止工作。逆变器在由蓄电池组所提供的直流能源的支持下，向外提供50Hz有效值为220V的方波稳压电源。转换开关在切断交流旁路供电通道同负载之间的连接的同时，将负载同逆变器电源的输出端连接起来，从而实现由方波逆变器电源向负载供电的转变。,3.1.1后备式UPS工作原理分析,市电供电不正常后备式UPS工作状态,由于逆变器电源向负载提供的是方波电源而不是正弦波电源，这就要求负载只能带电阻性或计

21、算机、通信设备之类的开关电源型的负载，而不能带电感性负载。否则，会造成两种事故之一：UPS 逆变器电源被损坏.用户负载设备被损坏。这是由于电感性负载的出现，会导致出现在方波电源的脉冲波形的上升边或下降边的尖峰干扰的峰值急剧增大的缘故。,3.1.2后备式UPS小结,综上所述，对于后备式方波输出 UPS :当市电供电正常时，它向用户所提供的电源为对市电电压稍加稳压处理过的“低质量”的正弦波电源。当市电供电不正常时，它向用户提供的是有效值为 220V 的方波稳压电源。在此条件下，由于要求逆变器立即从关机状态进人自动开机，并马上带载的状态，显然，这极易造成逆变器在执行市电供电逆变器的期间被损坏的概率增

22、大和造成 UPS 的市电供电逆变器供电的切换时间增长。,后备式优点：电路简单、成本低、可靠性高。后备式缺点：输出电压稳定精度差 ,市电掉电时负载供电有一段时间的中断，输出功率一般较小因其受切换电流和动作时间的限制 , 一般后备式正弦波输出容量在 2以下 ,后备式方波输出容量在 1以下.,3.2 在线互动式UPS电源,在线互动式UPS电源也称之为准在线式UPS电源.通常情况下,当市电供电在220V20%时UPS认为电网基本正常,这样,交流电可以通过工频变压器直接输送给负载;当市电超出上述范围,但在150-276V之间时,UPS可以通过逻辑控制,驱动继电器动作,使工频变压器抽头升压或降压,然后向负

23、载供电;若市电低于150V或高于276V,UPS将启动逆变器工作,由电池逆变向负载供电.在市电在150-276V之间时,身兼充电器/逆变器的变换器同时还给电池充电,处于热备份状态,一旦市电异常,马上就转换为逆变状态,为负载供电.,在线互动式UPS框图,3.2 在线互动式UPS电源,因此在线互动式UPS与后备式UPS的区别是变换器时刻处于热备份状态,市电/逆变切换时间比后备式要短.相对在线式UPS而言,它的电路实现简单, 生产成本降低和可靠性提高,另一方面在市电供电时不存在AC/DC,DC/AC的转换,使整机效率有所提高.但是,在电网电压正常时,由于它是直接通过工频变压器供电给负载,所以负载使用

24、的同样是充斥着谐波和尖峰的交流电,不利于高端设备的使用,市电逆变切换时,仍存在切换时间.在线互动式UPS原理图如图所示.,在线互动式UPS原理图,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电供电正常时（市电电压在150-276V之间），如图所示，市电电源经低通滤波器对从市电电网串入的射频干扰及传导型电磁干扰进行适当衰减抑制后，市电电源将分如下调控通道去控制UPS电源的正常运行。,市电供电正常时的工作状态,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,市电供电正常时的工作状态,当市电电源电压处在175264V之间时，在UPS电源的逻辑控制电路的作用下，将开关K0置于闭合状态的同时，还将位于UPS输出

25、通道上的作为转换开关使用的小型继电器的常闭触点接通。这样，负载得到的是一个不稳压的市电电源。鉴于微机开关电源所允许的市电电压工作范围在150264V之间，所以，用户的微机是可以正常运行的。,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电电源的电压处在150一175V之间时，鉴于市电输人电压偏低，在 UPS 电源的逻辑控制电路作用下，将开关 K0置于开启状态的同时，把位于采用变压器抽头调压方式运行中的升压绕组输入端的开关 Kl 置于闭合状态。这样，输入幅值偏低的市电电源经升压处理后（一般从升压绕组所输出的电压是市电输人电压的1.11.15倍），负载得到一个幅度较高（172一195V）的市电电源,

26、市电供电偏低时的工作状态,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电电源的电压处在264276V之间时，为防止出现由于将较高的市电电压直接送往负载而损坏用户负载的事故发生，在 UPS 的逻辑控制电路作用下，在将开关 K0置于断开状态的同时，还将位于采用变压器抽头调压方式运行中的降压绕组的输入端的开关 K 2置于闭合状态。这样，经转换开关送往负载的电源是从降压绕组所输出的市电电源（一般为市电输入电压的 0.9 倍，此时的输出电压为：23025OV) ，从而达到用户负载安全运行的目的。,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电电源的电压处于上述的150276V范围内时，在线互动式 UPS

27、 除了向用户的负载提供 220V20 的电源外，还经身兼逆变器充电器两种控制功能的变换器向电池组充电，以便在市电工作不正常时，提供足够的直流能量。,市电向电池组充电,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电供电不正常时，即市电输人电压低于 150V 或高于 276V 时，如图所示，这时在机内的逻辑控制电路的调控下， UPS 电源的各关键控制部件将完成如下的操作：,市电供电不正常时的工作状态,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电供电不正常时,市电供电不正常时的工作状态, 逆变器充电器控制模块将会从原来的充电器工作方式转人逆变器工作方式。在蓄电池提供的能量支持下，该模块经正弦波脉宽

28、调制（ SPWM ）向外送出稳压的正弦波形逆变器电源。,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电供电不正常时,市电供电不正常时的工作状态, 转换开关在切断交流旁路供电通道通往负载端的同时，把逆变器供电通道同负载连接起来，从而实现由 UPS 逆变器电源向负载提供正弦波电源的操作（只有在此时，用户才能得到真正的纯正正弦波电源） 。 在逻辑控制电路的调控下，充电器停止工作。,3.2.1在线互动式UPS工作原理分析,当市电供电不正常时,市电供电不正常时的工作状态,综上所述：仅当市电供电不正常时，在线互动式 UPS 才由它的逆变器向外提供质量较高的正弦波电源（按目前的常用蓄电池容量配置，其工作时间

29、为 810 分钟）。相反，在市电供电正常时，它向外提供的是仅对市电电网的电压稍加稳压处理过的质量偏低的正弦波市电电源。运行实践表明：有的在线互动式 UPS ，如果输入电源的波形畸变度5 时，易于造成它的内部的转换继电器误动作。过频的切换操作易于造成服务器产生“偶发性”的误动作或自动关机。,3.2.2在线互动式UPS小结,综上所述，可以看到：当市电正常时，送往用户负载的电源实际上是一路稳压精度很差的市电电源。在此过程中，需比较频繁地重新调整输人开关 K0、 Kl 和 K2 的工作状态。为了降低成本，在“在线互动式” UPS 中常采用小型继电器来作调控开关 K0、 K1 和 K2 ，它们的触点切换

30、时间为 4ms 左右。其带来的弊端是：造成 UPS 对负载的供电产生瞬态中断，在负载的输入端造成瞬态扰动或高压尖峰干扰，从而造成微机误动作。为解决这一问题，可利用由可控硅所构成的“静态开关”来代替小型继电器。从应用技术的角度看，可将这种UPS电源在执行市电输入电压调压时可能产生的供电时间的中断降低到零，从而明显地改进了在线互动式 UPS 的输出特性。然而，如果把在线互动式 UPS 连到被谐波严重“污染”的电网中时，则会由于被“污染”的正弦波电源可能出现多个电压过零点而造成可控硅误动作。问题严重时，会造成微机“自检误动作”，从而造成用户的数据或程序被破坏和丢失（这时用户所看到的现象是：微机显示屏

31、上的所有信息突然全部消失，紧接着会看见微机进入重新“自举启动”运行状态）.,3.2.2在线互动式UPS小结,在线互动式的优点：具有效率高 (可达 98%以上 )、结构简单、成本低、可靠性高。在线互动式的缺点：它大部分时间由市电直接给负载供电 ,输出电压质量差 ,市电掉电时交流旁路开关存在断开时间 ,导致输出存在一定时间的电能中断。,3.3 Delta UPS电源,DeltaUPS是一种将串联交流稳压技术与脉宽调制技术相结合产品,它利用小功率(设计容量为20%UPS的标称输出功率),经位于主供电通道上的补偿变压器,对不稳定的市电电源的电压执行一定数量级电压调整的电压补偿型的交流稳压电源(最大的输

32、出电压调节量小于15%UPS的标称输出电压).如图所示,它主要由分别位于主供电通道和交流旁路供电通道上的静态开关STS1和STS2,补偿变压器和两个具有四象限控制特性的Delta变换器和主变换器,电池组等部件组成.其电池组采用双极性配置法.,Delta UPS原理图,3.3.1 Delta UPS电源结构功能说明,结构功能说明,Delta UPS原理图,(1)双变换器，即Delta变换器和主变换器;(2)两个逆变器都是可双向传输功率的4象限高频逆变器；(3)Delta逆变器串联在主电路中，相当于一标准正弦波电流源，主要起有功补偿和谐波隔离作用，是一典型功率因数校正电路，其功率容量为输出功率的2

33、0%，该逆变器作用有三个: 对输入、输出电压差进行补偿，使输出电压稳定在1%精度内; 同主 逆变器一起控制输入电流为正弦波，使输人电流谐波3%，保证输人功率因数为0.99; 与主逆变器一起控制电池充电.,3.3.1 Delta UPS电源结构功能说明,结构功能说明,Delta UPS原理图,(4)主逆变器并联在UPS输出端，相当于个标准正弦波电压源,保证UPS输出纯净的交流电压，功率容量设计为UPS额定输出容量，其作用有四个方面:市电故障时，100%负载功率由主逆变器提供.市电正常时.与Delta逆变器一起完成对输入电压的补偿，此时它的最大运行功率为UPS输出功率的20%.在Delta逆变器的

34、控制下，由主逆变器完成对电池的充电.当负载中存在无功和谐波电流时，由主逆变器提供无功和谐波电流的补偿.,3.3.2 Delta UPS的稳压调节原理,Delta UPS的稳压调节原理，如图所示：,市电电压偏低时，使Delta变换器所产生脉宽调制型交变电源的占空比50%，就可以使得在 UPS 输出端的电压Uo=UiU（这时在补偿变压器原边绕组上的U的方向与输人电压的方向相同，输入电压与补偿电压的幅值相加）。 当Delta变换器所产生的脉宽调制交变电源的占空比等于50%时，则此时出现在补偿变压器原副边绕组上的补偿电压U=O显然，在此条件下，Uo=Ui的运行条件就能实现了,Uo=Ui U,3.3.2

35、 Delta UPS的稳压调节原理,Delta UPS的稳压调节原理，如图所示：,市电电压偏高时，使Delta变换器产生的脉宽调制交变电源的占空比50 % ，补偿变压器的原边绕组上的补偿电压U相位同市电输人电源的相位相差1800 ，UPS 的输出电压Uo=Ui-U 。 因此，只要适当地调节Delta 变换器所产生的交变电源的占空比就可把原来输人电压偏高或偏低的电源重新变换成具有稳压精度为1的UPS输出电源。,Uo=Ui U,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,1.市电供电正常时,(1)当市电输入电压 Ui正好等于UPS的标称输出电压Uo时，补偿变压器两端的补偿电压U=0 。所以，无需由

36、 Delta 变换器提供任何能量。市电电源经补偿变压器直接送到用户的负载上，无需进行任何调节。此时，补偿变压器处于净功耗=0 的工作条件下运行的，P=U*Io= 0 （因为U=0）。此时，UPS 所起的作用就相当于一条电力传输电缆，负载得到电源就是普通的市电电源。,U=0,Uo=Ui,市电输入正常时的Delta UPS工作状态,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,.市电供电偏低时,当市电电压Vi低于UPS的标称输出电压V的差值在015时，为确保UPS输出电压Vo维持在 380V1的稳压状态，要求由 Delta 变换器提供能量，以便在补偿变压器的原边绕组n2中产生一个与市电输入电压的极性

37、同相的补偿电压U。由于Uo与U同极性相加而提升市电输人电压。利用脉宽调制（PWM）方法把 Delta 变换器的输出送到补偿变压器副边绕组n1上。高频交变电源经补偿变压器的耦合作用在其输出原边绕组中产生一个同极性的补偿电压U（位于补偿变压器输出端的滤波器将高频交变电源重新变成典型的正弦波逆变电源）。通过适当的负反馈调控，使得UoU=38OV1% ，从而达到自动稳压输出的目的。,+U,Uo=Ui+ U,市电输入偏低时的Delta UPS工作状态,吸收能量转化为+U,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,在此过程中，它的能量传递和闭环负反馈调控通道图所示:,由上述可见，当市电电压低于 UPS

38、的标称输出电压时，补偿变压器在 Delta 变换器的调控下对原来幅值偏低的市电电压进行己量的升压调节（最大调节量小于380V 的15%，即57V左右），从而构成典型的串联交流稳压电源。,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,.市电供电偏高时,(3）当市电输人电压o高于UPS的标称输出电压380V的差值小于15的范围时，为确保从UPS输出的电压维持在38OV1的稳压状态。在Delta 变换器的调控下使得出现在补偿变压器原边绕组n2中的补偿电压与市电输人电压Vo进行反相抵消（办法是：Delta 变压器所输出交变电源的脉宽占空比小于50%），从而把原来偏高的市电电压降下来。通过适当的PWM负反

39、馈调制，使得o=380V1%，从而实现自动稳压的目的。,U,Uo=Ui U,市电输入偏高时的Delta UPS工作状态,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,.市电供电偏高时,此时的能量传递和闭环调控通道如图所示。,由此可见：当市电输入电压高于 UPS 的标称输出电压 38V 时，补偿变压器在脉宽调制 Delta 变换器的调控下对原来幅值偏高的市电电压进行占量的降压处理（其最大电压调节量为57V ) ，从而实现自动稳压的目的。,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,4.市电供电不正常时,当市电输人的电压波动超过士15 或输人频率的波动超过59Hz士3Hz 时，两个静态开关 ( ST

40、SI 和 STS2 ）同时都处关断状态。此时，主变换器在电池提供的直流能量的支持下，以逆变器的形式向用户的负载提供正弦波逆变器电源。为降低成本，它的主变换器采用不带输出隔离变压器的设计方案。,关断,关断,市电输入不正常时的Delta UPS工作状态,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,5 交流旁路供电状态,对于DeltaUPS来说，不管市电供电是否正常，只要遇到下述情况之一时：输出过载或输出短路时主变换器或 Delta 变换器之一出故障时温升过高时 位于主供电通道上的静态开关 STS1 和位于主供电通道的闭环控制电路中的 Delta 变换器、主变换器都应立即进入自动关断状态，位于交流旁

41、路供电通道上的静态开关 STS2立即进入导通状态。市电直接送到负载上。,交流旁路供电状态,关断,关断,关断,开通,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,综上所述:当市电电源正常工作时，用户的负载与市电电源是处于无电气隔离的工作状态的。来自市电电网的干扰易于直接串人到用户负载端上。,3.3.3 Delta UPS工作原理分析,Delta UPS实际相当于一台串联调控型的交流稳压电源.它的主要功能是对市电进行稳压处理,将原来不稳定普通市电电源变成电压稳压精度为380V1%的交流稳压电源.除此之外,对于来自市电网的频率波动,电压谐波失真和传导干扰等无实质性改善.其控制原理与利用“伺服电机”来调

42、节碳刷的位置来进行“电压补偿”的“全自动补偿方式”交流稳压电源的控制原理没有实质性的变化.其重大改进是采用高频脉宽调制技术和利用双向能量传递特性的“四象限”变换器(Detla变换器和主输出变换器)来取代于产生机械磨损的伺服电机和碳刷调节系统.,3.3.4 Delta UPS与传统双变换UPS的差别,Delta UPS与传统双变换UPS的差别在于:它利用串并联补偿原理，能同时解决UPS网侧和负载侧的问题，即网侧要求无电流谐波和功率因数接近于1，负载侧要求在网电压波动下维持一个恒定的正弦电压即使带非线性负载条件下也是如此.在正常工作模式，UPS的容量，可以小于负载容量，而取决于负载的功率因数和网压

43、波动范围.若控制策略正确，可以避免网侧谐波电压对负载的影响，也可以补偿不平衡负载.,3.3.4 Delta UPS与传统双变换UPS的差别,在市电电源工作不正常条件下（电压波动超过15），当Delta UPS主供电方式切换到交流旁路供电方式时，有可能造成市电输入电源与由 Delta变换器或主变换器所输出的稳压精度为1%UPS输出电源重叠供电的局面，这将极易造成因 UPS 的“环流”过大而导致 UPS 的故障率明显增大的弊端。 （这是因为由可控硅所组成的“静态开关”在控制电路发出关断命令之后，还可能再继续导通几毫秒的缘故）.显然，相比之下，在线式UPS在执行逆变器供电切换到交流旁路供电切换操时，

44、可能遇到的市电电压的波动值总是小于10。显然，采用后一种设计方案是十分有利于提高 UPS 的可靠性的。,3.3.5 Delta UPS小结,综上所述，Delta变换型UPS的主要目标是为改善市电电压的不稳定性，它对由于市电频率波动，输人电压畸变，各种电磁干扰以及由于计算机型非线性负载可能产生的电流谐波分量对市电电网的污染”并无实质性的改善。此外，其输入输出功率因数受控于用户的负载性质（线性负载，整流滤波型非线性负载，电感负载或电容负载等）。变换型的优点 :负载电压由主变换器的输出电压决定 ,输出电能质量好。主变换器和变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿 ,它们承担的最大功率仅为输出功率的20

45、% (相当于输入市电电压的变化范围),所以整机效率高,功率余量大,系统抗过载能力强。输入功率因数高,可达99%,输入谐波电流小。变换型的缺点：主电路和控制电路相对复杂 ,可靠性差.,3.4 在线式UPS电源,在线式UPS又称串联调整式UPS,目前绝大多数大中型UPS都是在线式的.在线式UPS一般由整流器，充电器，蓄电池组和逆变器等部分组成,其原理框图如下图所示.,在线式UPS原理框图,3.4.1在线式UPS工作原理,下面以微处理器控制的小型在线式UPS来分析其工作原理。,微处理器控制的小型在线式UPS控制框图,如图所示，市电电源经滤波器对来自电网的电磁干扰和射频干扰首先进行衰减和抑制处理后，分

46、4路去控制后级电路的正常运行：,3.4.1在线式UPS工作原理,微处理器控制的小型在线式UPS控制框图,直接经交流旁路供电通道被馈送到UPS的自动旁路开关上。经充电器对位于UPS机内的电池组进行“浮充”充电，以便市电供电中断时，蓄电池有足够的能量来维持UPS的正常输出。 送到UPS整流滤波器的输入端。向UPS的锁相同步电路送去市电同步跟踪信号。,3.4.1在线式UPS工作原理,微处理器控制的小型在线式UPS控制框图,当用户在按下UPS前面板上 “开机启动”开关后，由电池组所供的高压直流电源经位于UPS内部的直流辅助电源电路进行DC变换处理后，产生出这台UPS控制电路和微处理器所需要的低压直流辅

47、助电源。UPS内部的直流辅助电源被正确地建立起来后，微处理器就会立即进行初始化自检操作程序。自检完成后，用户按下“逆变器启动”开关，此后，在微处理器的控制下，UPS的逆变器电源将进入正常工作阶段。,3.4.2在线式UPS工作原理分析,.市电正常时的工作状态，如下图所示：,正常工作时，采用脉宽调制法控制的整流器、滤波器将不稳压的市电变成幅值稳定的直流高压电源V1送到逆变器电源的直流总线输入端。当市电供电正常时，在微处理器调控下:DCDC变换器不工作，从DCDC变换器所送出的另一路直流电源的电压V3小于V1。二级管D处于反向偏置状态，DC/DC直流变换器不向逆变器提供任何能量。逆变器在微处理器所送

48、的正弦脉宽调制脉冲的调控下，将直流电源V1变成标准的50Hz正弦波电源V4，负载处于由高质量的逆变器电源供电的状态。,3.4.2在线式UPS工作原理分析,.市电市电发生停电时的工作状态，如下图所示：,如果市电发生停电，DC/DC变换器立刻进入工作状态，整流器所输出的直流电源电压V1小于从DC/DC变换器所送出的直流电流电源的电压V3，二极管D导通，所以，蓄电池通过DC/DC直流变换器向逆变器提供能量，逆变器将直流电源V3变成50Hz正弦波电源V4，继续对负载供电。,开通,3.4.2在线式UPS工作原理分析,.危及逆变器的情况时的工作状态，如下图所示：,UPS运行中遇到危及逆变器的情况时，为使U

49、PS逆变器不被损坏和连续供电，UPS会自动执行从逆变器电源供电转交流旁路电源供电的切换操作。一旦执行了切换操作后，负载得到的是市电电源。UPS执行逆变器电源供电交流旁路电源供电的原因可能有：在UPS输出端出现输出过载或短路故障.由于环境温度过高或冷却用风扇出故障而造成位于逆变器中的功率放大管(IGBI管)的散热片温度超过90以上.UPS中的逆变器本身出故障.,开通,关断,停止工作,3.4.3在线式UPS小结,在线式的优点 :不论市电正常与否 ,负载都由逆变器供电 ,所以当市电发生故障的瞬间 ,的输出电压不会产生任何间断。由于逆变器采用高频调制和输出波形的反馈控制 ,可以向负载提供电压稳定度高、

50、波形畸变小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量的电能。在线式的缺点 :全部负载功率都由逆变器提供 ,输出能力受限制。整流器和逆变器都承担全部负载功率 ,整机效率比较低。,3.5 UPS原理小结,从以上分析可以看出,按技术性能优劣排序,其顺序应为:在线式UPSDelta变换型UPS在线互动式UPS后备式UPS.到此为止，我们可将所讨论过的几种典型 UPS 的工作特性简单归纳于下表中。,3.5 UPS原理小结,在线式与非在线式 UPS 电源（后备式 UPS ，在线互动式 UPS , Delta 变换型 UPS ）的主要区别是：双变换式在线式UPS ：首先利用 AC 一 DC 变换将普通的市电交流电