UPS常见结构和工作原理

1、不间断UPS电源 交流不间断电源设备有逆变器和UPS两种，小容量设备可采用逆变器或UPS，大容量设备一般都采用UPS。UPS是英文UninterruptiblePowerSystem的缩写，即不间断电源系统，但人们一般习惯将其简称为UPS电源。UPS电源不仅能提供不间断的交流电源，还具备对交流市电电源进行净化的功能。UPS电源广泛应用于计算机机房、数据（网管）中心等场所。在电信网络中，UPS电源设备主要用于为数据网络设备、智能网设备、支撑系统、增值业务系统、网管系统等供电。第一节 UPS的分类 8.1 UPS的分类 对UPS的常见分类如下： 按输出波形分为：方波（准正弦波）、阶梯波和正弦波。

2、按输出电压的相数可分为：单相和三相。 按输入输出的方式可分为：单进单出、三进单出、三进三出。 按不停电供电方式可分为：后备式、在线式和在线互动式。第一节 UPS的分类 8.1 UPS的分类 对UPS的常见分类如下： 按输出波形分为：方波（准正弦波）、阶梯波和正弦波。 按输出电压的相数可分为：单相和三相。 按输入输出的方式可分为：单进单出、三进单出、三进三出。 按不停电供电方式可分为：后备式、在线式和在线互动式。第二节 常用UPS结构形式及特点 当前市场上普遍应用的主流产品是静止变换型UPS，包括后备式，在线互动式和在线式。这里仅就这两种电路形式的UPS的电路结构、功能部件和性能特点进行扼要说明

3、和比较。 8.2.1后备式 后备式是相对在线式而言，区分方法是看逆变器是否工作。当交流输入电源正常时，UPS 只是将输入电源过滤后输出，同时通过充电器为电池充电；交流输入电源中断后，UPS 切换为电池和逆变器电路供电。逆变器只有在交流输入电源中断后才开始工作。后备式电路结构如图所示。 后备式是静止式UPS 的最初形式，应用广泛，技术成熟，一般只用于小功率供电的范围。第二节 常用UPS结构形式及特点 后备式电路结构框图 第二节 常用UPS结构形式及特点（1）功能部件 充电器：市电正常时，对蓄电池充电并浮充，如果是长延时UPS ，就要求它有较强的充电能力，或者外加相应容量的附加充电器。 DC -A

4、C 逆变器：市电正常时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。 输出转换开关：市电正常时，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通逆变器，继续向负载供电。（2）性能特点 当市电正常时，效率高，可达98 以上。 当市电正常时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流，UPS 本身不产生附加输入功率因数和谐波电流失真。 当市电正常时，输出能力强，对负载电流波峰系数、浪涌电流系数、输出功率因数、过载等都没有严格的限制。 当市电正常时，输出电压精度和稳定度差，但能满足一般负载的供电要求。 市电掉电时，输出有转换

5、时间，一般可做到4-10ms 左右。 当市电正常时，整机要靠附加滤波电路提高UPS 双向抗干扰功能。 电路简单、成本低、可靠性高。 输出转换开关受切换电流能力和动作时间的限制，UPS 输出功率做大有一定困难，一般多在2kVA 以下。第二节 常用UPS结构形式及特点 8.2.2 传统双变换在线式 目前，大功率UPS 仍多采用传统双变换在线式电路结构，它属于串联功率调整传输方式。图6.2是传统双变换在线式UPS 的电路结构框图。它是在线式UPS 的最初形式，因此称之为传统在线式。它的基本设计思想是，市电存在时，将市电交流电通过整流滤波电路变换为直流电，然后再将直流电通过DC /AC 逆变器变换成纯

6、净稳定的正弦波电压向负载供电。后备电池接在直流母线上，市电掉电后，由电池逆变后给负载继续供电。下面，具体介绍其功能和特点。第二节 常用UPS结构形式及特点 传统双变换在线式UPS的电路结构图 第二节 常用UPS结构形式及特点 （1） 功能部件 整流器：当市电存在时，实现AC/DC 的转换功能，一方面向DC / AC 逆变器提供能量，同时还向蓄电池充电。由于整流电路把市电输入电流变成脉冲波，输入电流谐波成分大，造成输入功率因数低，因此需要附加奇次谐波滤波器。在三相电路中，可增加一个输入隔离变压器，变压器的次级有两个匝数相同的绕组，一个采用三角形接法，另一个采用星型接法，将这两组分别整流，再配以相

7、应的滤波器，就构成了12 脉冲整流。为了进一步提高输入功率因数，减小对电网的污染，当前在中小功率的传统双变换UPS 中，开始使用高频整流（PFC）电路，可将输入功率因数提高到0.99。第二节 常用UPS结构形式及特点 逆变器：完成DC/AC 的转换功能，向输出端提供高质量电源，无论由市电供电或转由电池供电，逆变器都在线工作。在市电逆变和电池逆变这两种工作状态相互转换时，输出电压切换时间为零。在小功率单相双变换UPS 中，由于电池电压低，逆变器输出需要采用隔离变压器，把电压提升到负载所需要的额定电压220V 。在三相大功率UPS 中，输出DC/AC 逆变器多采用全桥电路，除了提升电压的要求外，还

8、因为全桥电路没有零电位输出，所以必须在逆变器输出端加隔离变压器，变压器初级为三角形接法，分别接在全桥电路的3 个桥臂的中点，次级则用星型接法，形成三相四线制电源供给负载。 静态旁路开关：由正反极性并接的可控硅构成，当逆变器过载或发生故障时，逆变器切断输出，静态开关自动转换接通，由市电直接向负载供电。静态开关为智能型大功率无触点开关，转换时间在2-3ms 。第二节 常用UPS结构形式及特点 （2）性能特点 不管有无市电，负载的全部功率都由DC / AC 逆变器提供；保证高质量的电源输出。市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间，具备典型的在线式UPS 功能。 由于负载功率100 都由逆变器

9、负担，因而UPS的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载电流峰值因数、过载能力和输出功率因数等。 输入可控整流器使UPS 输入功率因数低，一般为0.7-0.8 ，无功损耗大，输入电流谐波成分大于等于30%，对电网产生极大的污染。当然，若使用高频整流技术（功率因数校正技术），可把输入功率因数提高到接近1 ，输入谐波电流也将降到5 以下；若在三相UPS 中用12 脉冲整流只能将输入功率因数做到0.95，电流谐波成分降至10 左右，且成本高。 市电正常时，串联的两个变换器都承担100 的负载功率，所以UPS 整机效率低。 第二节 常用UPS结构形式及特点 （2）性能特点 不管有无市电，负载的全部

10、功率都由DC / AC 逆变器提供；保证高质量的电源输出。市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间，具备典型的在线式UPS 功能。 由于负载功率100 都由逆变器负担，因而UPS的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载电流峰值因数、过载能力和输出功率因数等。 输入可控整流器使UPS 输入功率因数低，一般为0.7-0.8 ，无功损耗大，输入电流谐波成分大于等于30%，对电网产生极大的污染。当然，若使用高频整流技术（功率因数校正技术），可把输入功率因数提高到接近1 ，输入谐波电流也将降到5 以下；若在三相UPS 中用12 脉冲整流只能将输入功率因数做到0.95，电流谐波成分降至10 左右

11、，且成本高。 市电正常时，串联的两个变换器都承担100 的负载功率，所以UPS 整机效率低。 第二节 常用UPS结构形式及特点 （2）性能特点 不管有无市电，负载的全部功率都由DC / AC 逆变器提供；保证高质量的电源输出。市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间，具备典型的在线式UPS 功能。 由于负载功率100 都由逆变器负担，因而UPS的输出能力不理想，对负载提出限制条件，如负载电流峰值因数、过载能力和输出功率因数等。 输入可控整流器使UPS 输入功率因数低，一般为0.7-0.8 ，无功损耗大，输入电流谐波成分大于等于30%，对电网产生极大的污染。当然，若使用高频整流技术（功率因

12、数校正技术），可把输入功率因数提高到接近1 ，输入谐波电流也将降到5 以下；若在三相UPS 中用12 脉冲整流只能将输入功率因数做到0.95，电流谐波成分降至10 左右，且成本高。 市电正常时，串联的两个变换器都承担100 的负载功率，所以UPS 整机效率低。 第三节 UPS电源系统的组成 UPS电源主要由7部分组成，即输入整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池组、充电电路、逆变器电路、静态开关电路、控制监测显示及保护电路。 1输入整流滤波电路 UPS电源内部蓄电池、逆变器及控制电路均需要直流电，这就要求UPS电源内部必须有整流及滤波电路。整流电路的主要功能是： （1）将交流电变换为直流电；

13、（2）具有输出电压保持能力； （3）抑制电网的干扰信号。 整流电路主要有单相半波、单相全波和单相桥式整流，三相半波、三相桥式（全波）整流及6脉冲整流，6相全波整流及12脉冲整流等。滤波电路由一级或多级滤波电路构成，其基本形式是在整流输出端加滤波电容或电感扼流线圈。在UPS电源中常采用电容、电感组成的LC 滤波器。第三节 UPS电源系统的组成 UPS电源主要由7部分组成，即输入整流滤波电路、功率因数校正电路、蓄电池组、充电电路、逆变器电路、静态开关电路、控制监测显示及保护电路。 1输入整流滤波电路 UPS电源内部蓄电池、逆变器及控制电路均需要直流电，这就要求UPS电源内部必须有整流及滤波电路。整

14、流电路的主要功能是： （1）将交流电变换为直流电； （2）具有输出电压保持能力； （3）抑制电网的干扰信号。 整流电路主要有单相半波、单相全波和单相桥式整流，三相半波、三相桥式（全波）整流及6脉冲整流，6相全波整流及12脉冲整流等。滤波电路由一级或多级滤波电路构成，其基本形式是在整流输出端加滤波电容或电感扼流线圈。在UPS电源中常采用电容、电感组成的LC 滤波器。第三节 UPS电源系统的组成 2功率因数校正电路在UPS电源中，交流输入市电经整流器整流后变换为脉动直流，然后采用大容量的电容器进行滤波，在电容器充电期间势必会形成尖峰脉冲，引起电流波形畸变，从而导致功率因数下降，并产生高次谐波，对电

15、网造成干扰。功率因数校正电路的作用就是提高功率因数，降低谐波干扰，使输入电流成为与输入电压接近同相位的正弦波。3蓄电池组蓄电池组是UPS的心脏，没有蓄电池组的UPS电源只能称作交流稳压稳频电源。当市电正常时，蓄电池由整流器（独立充电器）对其充电，将电能转化为化学能而储存起来；当市电供应中断时，UPS电源由蓄电池向逆变器供电，此时蓄电池通过放电将化学能转化为电能，保证UPS电源输出的不中断。目前UPS电源中广泛使用的是阀控密封式铅酸蓄电池。4充电电路UPS中的充电器将蓄电池放电后损失的能量重新补充，在充电过程中，充电器的控制电路检测整个充电过程，一般在充电阶段是恒流充电过程，随着电池电压的上升，

16、当蓄电池的电压达到浮充电压以后，充电器工作在恒压阶段，直到电池充满为止。因此，充电电路的反馈回路一般有两个，一个作为电流反馈，另一个是电压反馈。主电路一般采用开关型电路，其类型一般有两种：降压电路和升压电路。第三节 UPS电源系统的组成 5逆变电路 UPS逆变器的功能是将由市电整流所得的直流电压或蓄电池电压变换成交流电压。在后备式UPS中其逆变器输出波形一般为准方波，而在在线式UPS中其逆变器输出多为正弦脉宽调制波（PWM），该波形经LC低通滤波器滤波得到标准正弦波。 在线式UPS多采用桥式逆变器，根据要求的不同又分半桥逆变器和全桥逆变器。 6静态开关电路 静态开关是UPS的保护设备和供电转换

17、器件，它一方面保护UPS和负载，另一方面作为市电旁路供电和逆变器供电的转换器件。当UPS输出过载时，为了保护逆变器，通过静态开关将输出由逆变器切换到市电；当逆变器出现故障时，为了保证负载不断电，通过静态开关将输出切换到市电。小型UPS一般采用快速继电器作为静态开关，大中型UPS 则采用一对反向并联的快速可控硅作为静态开关。第三节 UPS电源系统的组成 7控制、监测、显示及保护电路 控制是UPS电源的神经中枢，其输出电压精度高低、波形失真度大小以及可靠性的高低均与控制电路密切相关。控制电路主要有PWM 产生电路、闭环调压电路、同步锁相电路等。为了使UPS 电源可靠工作，它应具有较为完善的保护电路，一般的UPS 电源都具有电池电压过低自动保护电路、逆变器输出过载或短路自动保护电路、逆变器过压输出自动保护电路、市电输入电压过高自动保护电路和UPS电源延迟启动自动保护电路等保护电路。为了随时掌握和了解UPS工作状态和运行情况，UPS电源一般还设有监测电路、显示电路及告警电路。UPS电池19通信用通信用UPS用用设计取向设计取向长