在线式UPS工作基本知识

1、On line UPS Prin ciple An alysis（UPS技术讲座三）1在线式UPS工作原理电路结构如图3 1所示，输入滤波器实质上就是 EMI滤波器，一方面滤除、隔离 市电对UPS系统的干扰，另一方面也避免UPS内部的高频开关信号“污染”市电。在线式UPS不论是由市电还是由蓄电池供电，其输出功率总是由逆变器提供。市电中断或送电时，无任何转换时间。平时，市电经整流器变成直流， 然后再由逆变器将直流转换成纯净的正弦电压供给负载。另一路，市电经整流后对蓄电池进行充电。正常供电时的工作原理见图3 1（ a）。wwcomBtttE庄TH图3 i（a）正常供电时在线式UPS工作原理示意图一

2、旦市电中断时，转为蓄电池供电，经逆变器把直流转变为正弦交流供给负载。市电中断时的工作原理见图3 1（b）。www. 3ttt8. com市电中断时在线式UPS工作原理示意图WWW. StttIII雀辰旨阿N_Bttt3. com图3 1 ( c)市电正常而逆变器故障时的工作原理示意图在市电正常供电状况下，若逆变器出现故障，则静态开关动作转向由市电直接供电， 此时的工作原理见图3 1(c)。如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起，UPS会发出报警信号；如果是由于过载引起，当过载消失后，静态开关重新切换回到逆变器输出端。2在线式UPS充电电路虽然后备式UPS中的恒压充电电路具有电路简单、成本低廉等

3、优点。但这种充电电路使蓄电池组初期充电电流较大，影响蓄电池的寿命。所以在在线式UPS中一般采用分级充电电路，即在充电初期采用恒流充电， 当蓄电池端电压达到其浮充电压后， 再采用恒压 充电。在线式UPS蓄电池的典型充电特性如图 3 2所示。3ttt8. ccm佥电电汗图3 2在线式UPS蓄电池理想充电过电电路图3 3所示为某小型在线式 UPS的充电电路，该电路的工作原理如下：变压器将市电电压由220V降到110V，经整流滤波后变成140V的直流电压U1， 这个电压分成两路：一路由R1降压和VI、V2稳压后，得到18V左右的电压U2，加到集成 控制器（UC3842 ）的7端，作为该控制器的辅助电源

4、；另一路经电感L1后加到场效应管V3的漏极。V3工作在开关状况，是个提升式（ BOOST ）开关稳压器，当 UC3842的6端输 出一正脉冲方波时， V3导通，电压U1几乎都降在电压 L1上，通过L1的电流等于漏极电流式中：Au为瞬时ID，当正脉冲方波过去后，在该脉冲的后沿激起一个反电势电压 反电势电压， t为脉冲下降时间。这个反电势电压的方向与整流电压U1相叠加，经过二极管 V4的充电电压U0为:U0=U1 +Au这样，蓄电池就得到了足够的充电电压，因为t和AID由电路参数决定，该充电电压是固定不变的。随着电池组的充电，当其端电压提高到设定值后，再经R7送到RP及R5组成的分压器上，经分压后

5、的反馈信号送到UC3842的输入端2，经过该信号的控制，使6端输入脉冲的频率降低，这样一来充电电压的平均值比原来减小，于是充电的电压被稳定 下来。电流的控制过程是这样的：电流的采样信号是由 V3源极上的R10取得的，当充电电 流增大时，由于对应频率的增加，V3开关频率增加，在 R10上通过电流所造成的电压平均值增大，这个增大了的电压US经R11、C6平滑后送到UC3842的3端，使6端输出脉冲的频率下降，从而也稳定了电流。由上述可见，这个充电电路实际上是个具有限流稳压功能的开关电源，只要将额定电压、浮充电压、恒流充电电流设置恰当， 就能使蓄电池的充电过程基本上沿着理想的充电 曲线进行，从而延长

6、蓄电池的使用寿命。3在线式UPS逆变器3.1逆变器控制技术正弦脉宽调制正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法，如图3-4所示。为了得到接近正弦波的脉宽调制波形，我们将正弦波的一个周期在时间上划分成N等份（N是偶数），每一等份的脉宽都是2冗/N。在每个特定的时间间隔中，可以用一个脉 冲幅度都等于U Am、脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的矩形电压脉冲来 分别代替相应的正弦波部分。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假设正弦波的幅值为Um，等效矩形波的幅值为 UAm，则各等效矩形脉冲波的宽度为3式中：3i是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效

7、脉冲的位置中心角。上面的公式表明:由能量等效法得出的等效脉冲宽度3与分段中心Bi的正弦值成正比。rgw. 3ttt3 comww. 8ttt8. com图3 4正弦脉宽调制的能量等效图当N=20 , Um(n)/Um 与Um/U Am的关系曲线coni nnnnnnn(a)调制电路图3 5正弦脉宽调制法调制电路及波形图在实际的小型UPS中，常用图3 5 (a)所示的用比较器组成的正弦脉宽调制电路来实现上述脉宽调制的目的。若将三角波脉冲送到比较器的反相端(?),将正弦波送到比较器的同相端(),则在正弦波电压幅值大于三角波电压时，比较器的输出端将产生一个脉宽等于正弦波大于三角波部分所对应的时间间隔

8、的正脉冲。于是在电压比较器的输出端将得到一串矩形方波脉冲序列。假设三角波的频率f 与正弦波的频率f之比为f A/f=N ( N称为载波比)，为了使输出方波满足奇函数，N应是偶数。如果假定在正弦波大于三角波的部分所产生脉冲的中心位置，就是每一段脉冲的中心位置Bi。从图3 5 (b )可以看到，由于三角形 abg与Acdg相似，当载波比 N固定，且 N20时，在比较器输出端产生的矩形脉冲的宽度正比于正弦波的幅值Um与三角波幅值之比，该脉冲宽度也正比于分段中心角B i的正弦值，对于图3 5( b)所示的脉宽调制波形，当n=1 (基波)时，基波幅值 Um(1)及各次谐波的幅值 Um(n)与脉冲宽度3有

9、关， 而脉宽3又与调幅比Um/U Am有关。因此，只要适当地调节输入到比较器同相端的正弦 波电压的幅值大小就可以调节逆变器电压的大小。图3 6给出了 Um(n)/Um(1)max(各次谐波的幅值与基波最大值之比)与Um/U Am(调幅比)的关系曲线。由图3 6可以看出：在这种调制方式下，当正弦波的幅值小于三角波的幅值时，即0 WUm/U Am U Am时，逆变器脉宽调制输出的正弦分布特性开始遭到破坏，这 时Um (n) /Um(1)max 与调幅比Um/U Am之间失去线性关系，开始呈现非线性特性。 这种正弦脉宽调制方式的另一个重要特点是：在正弦波幅度小于三角波幅度范围内，输出波形中不包含3、

10、5、7次等低次谐波分量。在脉宽调制输出波中仅存在与三角波工作频率相近 的高次谐波。对于载波比K20的正弦脉宽调制波形来说，这些高次谐波分量是17、19次谐波分量。在目前实际使用的中、小型UPS中，正弦波的工作频率是 50Hz，三角波的工作频率在840kHz之间。因此，采用这种正弦脉宽调制法的逆变器输出电压波形中，实际上基本 不包含低次谐波分量，它们所包含的最低次谐波分量的频率都在几kHz以上。正因为如此，在正弦波输图3 7单相全桥逆变电路出的UPS装置中，逆变器所需的滤波器尺寸可以大大减小。实际上，在目前的中、小型电源中，一般都是利用输出电源变压器的漏电感再并联一个810F的滤波电容即可构成逆

11、变器的输出滤波器。3.2逆变器电路在线式UPS多采用单相桥式逆变电路，如图3 7所示。它是由直流电源 E、输出变压器T及场效应管V1V4管组成。WWW. 3ttt8 COTmi图3-7单相全桥逆变电路单相桥式逆变电路按其工作方式可分为：同频逆变电路、倍频逆变电路。(1)同频逆变电路在同频逆变电路中，场效应管V1、V2、V3、V4的栅极G1、G2、G3及G4分别加上正弦脉宽触发信号，其波形如图3 8所示。在3 to311期间，uG1与uG2为一组相位相反的脉冲。uG3=0,uG4为高电平；在3 t13 t2期间，uG3与uG4为一组相位相反的脉 冲，uG1=0,uG2为高电平，其工作过程如下：V

12、1栅极出现第一个脉冲时，V2的栅极脉冲消失，于是V1、V4导通；V2、V3截止。输出变压器初级电流i1沿着E+t V1 t变压器初级T V4 t E路径流动。由于 V1、V4导通，电源电压几乎全部加在变压器初级两端，即：电源的能量转换到变压器，变压器次级感应出电压为：在这个电压推动下，变压器次级出现电流 iO,它沿着“ 3 ” T Rt Lt “ 4 ”路径流 动。变压器储存的能量一部分消耗在负载 电阻R上，另一部分储存在负载电感 L中。uO的 波形如图3 8 ( e)所示。11叫艸叫厶应厂血图3-8同频逆变电路主要波形V1栅极的第一个脉冲消失时，V2的栅极出现第二个脉冲，V1截止。iO不能突

13、变，仍按原来路径流动，负载电感中的能量一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在变压器中。它使电流i1也不能突变，i1 一方面沿着“ 2V4 tV6 t“1 ”流动，变压器储存的能量消耗在回路电阻上；另一方面 i1沿着“ 2 ” t V7 t Et V6 t“1 ”流动，变压器能量反馈给电 源E。由于V4、V6导通，变压器初级短路，故u12 0,uO 0,故不会出现反向尖脉冲。变压器中能量释放完后，V2截止。由此可见，V1的栅极出现第一个触发脉冲时，变压器初、次级同时出现宽度相同 的脉冲。不难推出， V1的栅极出现第二至第九个触发脉冲时，变压器初、次级也同时出现 与图3 8宽度相同的第二个至第九个

14、脉冲。其输出电压波形如图3 8 (e)所示。在3113 t2期间，分析方法与3 tO311相同，读者可自行分析，由分析可见：uO是正弦脉宽调制波。uO中脉冲频率与驱动信号(uG1uG4)中脉冲频率相同，故将这种逆变电路称 为同频逆变电路。(2)倍频逆变电路在倍频逆变电路中，场效应管V1、V2、V3、V4栅极G1、G2、G3及G4分别加上正弦脉宽触发信号如图 3 9所示。图中uG1与uG2 , uG3与uG4相位相反，其工作过程如下:在tot1期间：uG10、uG40 , uG2=0、uG3=0 , V1、V4 导通，V2、V3 截止。变压器初级电流i1沿着E + t V1 t变压器初级t V4

15、 t E 路径流动，由于V1、V4导通，故:电流的能量转移到变压器，变压器次级感应出电呐imp 1肘十十H ucJnl 1丨 ITn 门 厂i “li Ilili；:Xi%一_ qJ thilii rn ；ri rJ a i御n ri rn 口 口必用 tit t1n n n J图3-9倍频逆变电路主要波压为:在这个电压推动下，变压器次级感应电流iO沿着“ 3 ” t Rt Lt “ 4”路径流动。变压器中能量一部分消耗在R上，另一部分储存在L中，uO的波形如图3 9 (e)图所示。在t1t2期间：uG10、uG30 , uG2=0、uG4=0 , V4截止。iO不能突变，iO继续按原来方向流

16、动，负载电感中的能量一部分消耗在负载电阻上，另一部分储存在变压器中。i1也不能突变，它沿着“ 2”t V7 t V1 t“i ”路径流动，变压器中的能量消耗在回路电阻上；i1另一方面沿着“ 2” t V7 t Et V6 t “1 ”流动，使变压器中的能量反馈电源。 由于V7、V1导通， u21 P,uO 0。故不会出现尖脉冲。变压器中能量释放完后，V1自动截止。在t2t3期间：uG10、uG40 , uG2=0、uG3=0 , V1、V4 导通，V2、V3 截止。i1 沿着 E+tV1 t变压器初级t V4 t E路径流动，由于 V1、V4导通，故:iO沿着“ 3” t Rt Lt “ 4

17、” 路径流动。在t3t4期间：uG20、uG40 , uG1=0、uG3=0 , V1截止。iO继续沿着原来路径流动，负载电感L中的能量一部分消耗在负载电阻 R上，另一部分储存在变压器中。i1 一方面沿着“2” TV4 T V6 T“1 ”路径流动，变压器中的能量消耗在回路电阻上；i1另一方面沿着“ 2”7V7 t Et V6 t“i ”使变压器中的能量反馈给电源。由于 V6、V4导通，u21 0,uO 0，故 不会出现尖脉冲。变压器中能量释放完后，V4自动截止。便重复上述过程，uO的波形如图3 9(e)所示。由图看出：输出电压uO也是正弦脉宽度调制波。输出电压uO中脉冲频率是驱动信号中脉冲频

18、率的两倍，故将这种逆变电路称为倍频逆变电路。4具有双闭环的在线式 UPS控制电路为了提高输出电压的稳压精度、改善输出波形，UPS往往采用闭环电压控制电路和闭环波形控制电路。具有这种双闭环调节系统的UPS反馈控制电路如图3 10所示。a图3-10 UPS 的双闭球反馈控制电路4.1电压闭环控制电路电压闭环控制电路是由直流电压检测电路、给定电压、误差放大器组成。(1 )直流电压检测电路直流电压检测电路是由检测变压器T、单相全波整流电路 V1V2、电阻分压器R1、R4、R5组成。设变压器变比为n,电阻分压器输出电压为UV，反馈系数为经推导：则UV= pUO(2 )给定电压给定电压Un是由12V电源、

19、电位器 RP、电阻R3构成分压器提供的。(3 )误差放大器误差放大器是由运放 N1、电阻R6构成的反相放大器，C1的作用是抑制高频振荡，放大器输出电压 Uk为:Uk=K1(Un Uv )(4) 跟随器跟随器由运放N2构成，其输出电压 UL=UK。(5) SigmaPWM 集成芯片N4是SigmaPWM 集成芯片。跟随器 N2输出电压UL加在N4的控制端(16脚)。N4输出标准的正弦波交流电压US，其电压的幅值受跟随输入电压控制。4.2波形闭环控制电路(1 )交流电压检测电路交流电压检测电路由检测变压器T ( U21 )、电阻分压器 R9、R11组成。(2 )给定电压给定电压由SigmaPWM

20、集成芯片提供，15脚输图3 10UPS的双闭环反馈控制电路出，它通过 R17、C8加在N3的反相端，设给定电压为 UM。(3 )误差放大器误差放大器由运放 N3、R12R16、C4C7组成。图中:R14、C6构成校正环节:C4、R12、R13也构成校正环节，C5、R16是为了减少运放 N3失调电压的；C7是抑制放大器高频振荡的，静态时校正环节不起作用，故误差放大器输出电压UC,4.3闭环反馈调节系统(1 )闭环波形控制环路4.3闭环波形控制框图如图 3- 11所示。图3 - 11闭环波形调节系统框图图中:K3是交流电压误差放大器的增益；K4是正弦脉宽调制器的传递函数；K5是逆变器的传递函数；F

21、是检测电路的反馈系数。根据图3 - 11可以写出：U0=K3 K4 K5 ( UM Uf) 令 K=K3 K4 K5环路总增益由于FK 1贝U UO=UM/F由于F是常数，并且是小于1的常数。因此UPS输出电压U0波形与给定电压 UM 波形相同，也是高质量的正弦波。(2 )闭环电压控制环路WWMT- SxTtS. COT图3 12闭环电压调节系统框图闭环电路调节系统框图如图 3 12所示。图中：K1是直流电压误差放大器的增益;K2是SigmaPWM 集成芯片控制系数。上式表明：双闭环系统的稳压精度比单闭环系统的稳压精度高。13采用锁相环的输入逻辑电路5.1晶体振荡器在图3 13中，晶体振荡器是由石英晶体 Y、电阻R1R2、电容器C1C2、非 门U1组成，它的功能是产生频率为2.16MHz的脉冲。由于晶体温度稳定性高，故采用晶体振荡器作为频率源。5.2分频器分频器是由四块集成电路 40103组成分频器。集成电路40103是可预置的同步二进 制减法计数器。U2为216分频器，它将晶体振荡器输出频率为2.16MHz的脉冲信号分成频率为10kHz的脉冲信号，作为 U3、U4、U5的时钟。U3为200分频器，它将10kHz的脉冲 信