UPS的基本组成及工作原理

1、 UPS的基本组成及工作原理通信电源2022/7/262 UPS的基本组成及工作原理 1.1 UPS的基本组成UPS由输入整流滤波电路、 功率因数校正电路、 蓄电池组、 充电电路、 逆变电路、 静态开关电路、 控制监测显示及保护电路等组成。 逆变器是UPS电源的核心设备整流模块为能量变换设备（AC/DC），逆变器也是能量变换设备（DC/AC）蓄电池为储能设备输入整流滤波电路UPS中，常用的整流电路有单相不可控和可控整流电路、 三相不可控和可控整流电路。 滤波器可分为电容输入或电感输入两种。功率因数校正电路UPS中，市电经整流后采用大容量电容器进行滤波而且整流电路输出端还并联有蓄电池。在电容器或

2、蓄电池充电期间将形成脉冲电流。该电流峰值很高，产生高次谐波电流并导致功率因数下降，功率因数校正电路可使电网输入电流变为与输入电压同相位的正弦波。2022/7/263蓄电池组蓄电池组是UPS的蓄能设备。市电正常时，蓄电池充电，将电能转化为化学能并储存起来。市电中断时，UPS蓄电池中的电量维持逆变器工作。目前中小型UPS中广泛使用阀控铅酸蓄电池。长延时(4h或8h)UPS中，蓄电池的成本甚至超过主机的成本。充电电路UPS中，一般充电电路都是独立工作的。也就是说，即使不用逆变器，只要将交流电源接通，充电电路就开始工作。充电过程中，先采用恒流充电，当蓄电池的电压达到浮充电压后，转为恒压充电， 直到电池

3、被充足。主电路一般采用开关型整流电路，为了缩短充电时间，各种快速充电电路在UPS中也得到了应用。逆变电路作用是将市电整流后的直流电压或蓄电池电压变换成交流电压。2022/7/264静态开关电路作用是保护UPS和负载， 并实现市电旁路供电和逆变器供电的转换。 UPS过载时，为了保护逆变器，当市电正常时，UPS通过静态开关将输出由逆变器转换到市电； 逆变器出现故障时，为了保证负载不断电，UPS的输出也通过静态开关输出切换到市电。由于UPS内部一般都有同步锁相电路，同时静态开关转换时间较短， 因此在转换过程中不会出现供电间断。小型UPS一般采用快速继电器作为静态开关，大中型UPS则采用反向并联的快速

4、晶闸管作静态开关控制、监测、显示及保护电路UPS输出电压的精度、波形失真度以及工作可靠性均与控制电路密切相关。 控制电路主要有SPWM产生电路、闭环调压电路、同步锁相电路等。 为了使UPS可靠工作，还应具有较完善的保护电路， 一般的UPS中都有： 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； 逆变器过压自动保护电路； 市电电压过高自动保护电路； UPS延迟启动自动保护电路等。 为了随时掌握和了解工作状态和运行情况， UPS中还设有监测电路、 显示电路及报警电路。2022/7/265后备式UPS电源的组成后备式UPS电源的组成如图5-1所示：图5-1 后备式UPS电源的组成框图

5、当市电供电正常时，经低通滤波器抑制高频干扰，经调压器对电压变化起伏较大的市电进行稳压处理，再经转换开关K1向负载供电，而整流器对蓄电池组充电，使电池始终处于充足状态，以备一旦市电不正常时，改由蓄电池通过逆变器，经由转换开关K2向负载供电。综上所述，这种UPS最大特点是结构简单、价格便宜噪声低，但绝大部分时间，负载得到的是稍加稳压处理过的“低质量”正弦波电源。 SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出 2022/7/266在线式UPS电源的组成在线式UPS电源的组成如图5-2所示：图5-2 在线式UPS电源的

6、组成框图市电首先经UPS内部滤波器、整流器变为直流电源，再利用PWM方式经逆变器重新将直流电源变成纯正的高质量的正弦波交流电源，通过这样的变换，市电中的所有干扰几乎都被过滤掉，这就避免了由市电带来的任何电压或频率波动及干扰等影响。当市电供电出故障或完全停电时，利用蓄电池组继续向逆变器提供直流电源，保证了UPS向用户提供高质量的正弦交流电源。一旦UPS发生故障时，静态开关接通旁路系统，由市电直接经过静态开关向负载供电。 2022/7/267三端式UPS电源的组成三端式UPS电源的组成如图5-3所示图5-3 三端式UPS电源的组成框图三端式UPS由整流器、蓄电池和三端口稳压器等组成，其结构如图5-

7、3所示。三端口稳压器的铁芯为双磁分路结构，每个初级绕组和次级绕组都有一个磁分路，并联电容与每个磁路组成LC振荡回路，当达到谐振点时，构成饱和电感，使次级工作于饱和区，若初级输入电压变化时，次级输出电压恒定不变，实现了稳压的目的。 2022/7/268Delta变换型UPS电源的组成Delta变换型UPS的组成如图5-4所示 图5-4 Delta变换型UPS的组成框图Delta变换型UPS实际上就相当于一台串联调控型的交流稳压电源。 2022/7/269Delta变换型UPS主要调控职责对市电电压进行稳压处理。将原来不稳定的普通市电电源变成电压稳压精度为380V+1%的交流稳压电源。但对于来自市

8、电电网的频率波动、电压谐波失真和各种传导性电磁干扰等电源问题无实质性的改善。Delta变换型UPS共有四条供电通道向用户的负载供电：主供电通道：市电输入主电路静态开关补偿变压器输出逆变器供电通道：蓄电池主变换器输出。交流旁路供电通道：市电输入旁路静态开关输出。维修旁路供电通道：市电电源维修旁路开关输出。2022/7/26101.2 UPS逆变工作原理与主要电路技术逆变电路单相逆变器的逆变电路有推挽式、半桥式、全桥式等。均用于中小型UPS系统。全桥式逆变电路应用场合多，下面介绍半桥式逆变器和全桥逆变器结构原理和控制方法。半桥式逆变电路的工作原理半桥式逆变电路的工作原理如图5-5所示：开关管V1和

9、V2构成构成一个桥臂及反并联二极管D1和D2构成另一个桥臂，两个桥臂的中点A和B为输出端，可以通过变压器Tr变压输出，也可以由这两端直接等压输出。因为电容C1C2，容量较大，故其电压，ui是比较稳定的，中点B的电位基本不变。UB1/2Ui，而A点的电位则取决于开关管V1和V2的工作情况。图： 半桥式逆变器主电路2022/7/2611全桥式逆变电路的工作原理全桥式逆变电路的工作原理如图5-6所示：图5-6 全桥式逆变器电路功率晶体管VT1,VT4和VT2,VT3在分别获得激励信号后，进入轮流导通或截止状态。从而在变压器初级和次级侧分别产生交流电压U1和U2，经过次级L,C滤波电路的作用使负载取得

10、正弦电压。 2022/7/2612静态开关静态开关的作用静态开关的作用是切断发生故障的电源输出，做到逆变器输出和市电旁路输出间的无间断切换。 静态开关主电路原理1kVA2kVA在线式UPS电源，其逆变器输出和交流旁路供电间切换，大多采用快速继电器作为切换元件，这种瞬间的供电中断不会影响微型计算机中开关电源的供电，但不能满足通信设备要求电源不中断的需要容量在2KVA以上的UPS电源而言，由于继电器工作电流的增大，且继电器拉断瞬间所产生的火花将产生高温而损坏接点，或者在常开和常紧闭接点间形成电弧而将两个交流电源产生瞬间短路。所以继电器用于切换仅限于小容量UPS电源。小型UPS一般采用快速继电器作为静态开关，大中型UPS则采用反向并联的快速晶闸管作静态开关。2022/7/2613UPS电源中锁相电路锁相环路工作原理和基本特性锁相环路（PLL）早在1943年应用于黑白电视机水平同步电路中，1956年锁相环应用于第一批人造卫星。60年代之后，在通信、航天、测量、计算机等诸多方面获得广泛应用。目前采用CMOS期