电源技术辅导资料十
电源技术辅导资料十主 题：第五章 第一、二、三、四节 “UPS分类”、“UPS方框图”、“UPS电源的主要性能”及“UPS逆变工作原理及主要技术”辅导资料
学习时间：2010年12月20日－12月26日
内 容：
我们这周主要学习第五章第一、二、三、四节 “UPS分类”、“UPS方框图”、“UPS电源的主要性能”及“UPS逆变工作原理及主要技术”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对UPS的了解，并掌握逆变原理。
一、学习要求
1．了解UPS分类
2．了解UPS方框图
3. 理解UPS电源的主要性能和技术指标
4. 理解UPS逆变工作原理及主要技术
二、主要内容
1．UPS分类
按输入输出相数分：单进单出、三进单出和三进三出UPS。
按功率等级分：微型（＜3KVA）、小型（3KVA~10KVA）、中型（10KVA~100KVA）和大型（＞100KVA）。
按电路结构形式分：有后备式、在线互动式、三端口式（单变换式）、在线式等。
按输出波形的不同分：可分为方波和正弦波二种。
2. UPS方框图
现在的UPS电源工业，可向用户提供如下几种类型的UPS电源品种：后备式UPS ;在线互动式UPS ;三端式UPS ;双变换在线式UPS ;Delta变换型UPS
（1）后备式UPS
市电存在时，逆变器不工作，市电经交流稳压器稳压后，通过转换开关向负载供电，同时充电器工作，对蓄电池组充电；市电掉电时， 逆变器工作，将蓄电池提供的直流电压变换成稳压、稳频的交流电压，转换开关同时断开市电通路，接通逆变器，继续向负载供电。
这种电源的特点为：
当市电正常时，只是通过交流稳压后直接输出至负载， 因此电路对市电噪音以及浪涌的抑制能力较差。
存在转换时间。
保护性能较差。
结构简单， 体积小， 重量轻， 控制容易， 成本低。
（2）在线式UPS电源
在线式UPS的基本结构如图5-2所示，它由整流器、逆变器、蓄电池组以及静态转换开关等部分组成。正常工作时， 市电经整流器变成直流后， 再经逆变器变换成稳压、 稳频的正弦波交流电压供给负载。 当市电掉电时，由蓄电池组向逆变器供电， 以保证负载不间断供电。如果逆变器发生故障， UPS则通过静态开关切换到旁路，直接由市电供电。故障消失后，UPS又重新切换到由逆变器向负载供电。由于在线式UPS总是处于稳压、稳频供电状态，输出电压动态响应特性好， 波形畸变小，因此，其供电质量明显优于离线式UPS。目前大多数UPS， 特别是大功率UPS均为在线式。
图5-2在线式UPS的结构框图
特点：克服了市电质量差对其性能的影响，市电中断时，负载不会发生电源瞬时中断。
在线式UPS的特点是：
输出的电压经过UPS处理， 输出电源品质较高。
无转换时间。
结构复杂， 成本较高。
保护性能好， 对市电噪音以及浪涌的抑制能力强。
（3）在线交互式UPS电源
在线交互式UPS的结构框图如图5-3所示。它由交流稳压器、交流开关、逆变器、充电器、蓄电池组和双向转换器组成。市电正常时经交流稳压器后直接输出给负载。此时，通过双向转换器，逆变器工作在整流状态，作为充电器向蓄电池组充电。当市电掉电时，逆变器则将电池能量转换为交流电输出给负载。
图 5-3在线交互式UPS的结构框图
特点：市电供电正常时，负载得到的是一路稳压精度很差的市电电源；市电不正常时，逆变器/充电器模块将从原来的充电工作方式转入逆变工作方式。这时由蓄电池提供直流能量，经逆变、正弦波脉宽调制向负载送出稳定的正弦波交变电源。
在线交互式UPS的特点如下：
具有双向转换器， UPS电池充电间较短。
存在转换时间。
控制结构复杂， 成本较高。
保护性能介于在线式与离线式UPS之间， 对市电噪声和浪涌的抑制能力较差。
3. UPS电源的主要性能和技术指标
（ 输入特性 输出特性 保护性能 ）
（1）输入特性
输入电压范围指保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围。在此电压范围内，逆变器（负载）电流由市电提供，而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性减小，这有益于电池使用寿命的延长。目前UPS输入电压范围一般为（－15％～＋10％）Ue之间。
频率输入范围指UPS能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS的输入频率范围一般为50±5%Hz，YD/T1095-2000规定UPS的输入频率范围为50±4%Hz。
输入功率因数输入功率因数高低是衡量是否对电网存在污染的一个重要电性能指标。输入功率因数低时，不仅在吸取有功功率的同时，还要吸收无功功率，其结果增大了系统配电容量，影响系统供电质量。
输入电流谐波因为可控硅的关断和开通， UPS的输入电流中含有丰富的谐波成分，它形成输入的无功功率，是造成UPS输入功率因数低的一个重要因素。因此在电路设计时，有的UPS加入了PFC电路。
输入频率范围指UPS能自动跟踪市电、保持输出电压与输入电压同步的频率范围。UPS输出电压对输入电压的跟踪主要是为了保证UPS在必须时能够顺利地进行旁路切换，避免由于输入输出电压相差过大引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现很大的环流而损害。
频率跟踪速率指UPS在一秒钟内能够完成的输出频率变化范围。频率跟踪速度可以表征UPS对输入频率变化的适应能力，特别是在柴油发电机供电的时候，由于柴油发电机的频率稳定度不是很好，如果UPS的频率跟踪速率过低，UPS就会出现频率不同步告警，控制电路就会禁止UPS进行旁路切换。
（2）输出特性
输出电压波形失真度指UPS输出波形中谐波分量所占的比率。常见的波形失真有：削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。
输出电压稳压精度指市电—逆变供电时，当输入电压在设计范围内，负载在满负荷内100%变化时，输出电压的变化量与额定值的百分比。输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。
输出功率因数指UPS输出端的功率因数，表示带非线性负载能力的强弱。负载功率因数低时，所吸收的无功功率就大，将增加UPS的损耗，影响可靠性。
输出电流峰值因数指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比。一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。
三相不平衡能力对于三进三出的UPS来说，若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平衡。具有100%负载不平衡能力的UPS，表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。
UPS输出效率指UPS的输出有功功率与输入有功功率之比。UPS的输出效率越高，表示内部损耗越小，反之则表示UPS本身功耗大，增大机房的空调负荷。此外输出效率低有可能使电池供电时间变短。
（3）保护性能
输入保护特性指交流输入过压/欠压保护，输入频率过高／过低保护等。当输入电压失真度过大，UPS会进入输入保护模式。对于三相输入的UPS，还有输入错相保护、缺相保护等。
输出过压／欠压保护特性指当UPS逆变单元出现故障时，UPS的输出电压超出允许的范围而产生的保护动作。
输出过载／短路保护指当UPS输出回路中出现短路故障或长时间出现过载现象，为了保护UPS的自身安全，通过控制电路将UPS切换到旁路工作模式的保护动作。
电池低压保护电池容量的大小直接决定UPS在交流停电时能够保证不间断输出的时间长短，因此电池适时的发出电池低压告警可以使维护人员能够了解当前电池的剩余容量和后备保障时间，采取相应的应急措施。一旦电池电压达到保护值，为保护电池免于过放电造成的永久损伤，UPS就会关闭输出。
UPS的其他保护性能UPS为了保证自身系统的安全工作，另有许多的故障监测点和相应的告警信息，如器件高温告警、风扇故障告警、熔丝熔断告警、整流模块故障告警、逆变模块故障告警等。
4. UPS逆变工作原理及主要技术
对于小功率UPS，整流器一般采用二极管整流电路，它的作用是向逆变器提供直流电源，蓄电池充电由专门的充电器来完成。 而对于中、 大功率UPS，它的整流器具有双重功能，在向逆变器提供直流电源的同时还要向蓄电池进行充电， 因此， 整流器的输出电压必须是可控的。
中、大功率UPS的整流器一般采用相控式整流电路。相控式整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流输入功率因数低并向电网注入大量的谐波电流。目前，对于大容量UPS大多采用12相或24相整流电路。因为整流电路的相数越多，交流输入功率因数越高，入电网的谐波含量也就越低。除了增加整流电路的相数外，还可以通过在整流器的输入侧增加有源或无源滤波器滤去UPS注入电网的谐波电流。
目前，比较先进的UPS采用PWM整流电路，可使注入电网的电流基本接近正弦波，且功率因数接近1，即整流电路交流侧的电流、 电压的相位基本同相, 这样大大降低UPS对电网的谐波污染。现以单相电路为例，说明PWM整流电路的工作原理。
图5-4所示是单相桥式全控整流电路结构，其中起整流作用的开关器件采用全控器件IGBT。电路的工作原理为：在交流电源us的正半周，控制电路关断V2、V3, 而在V1、V4的控制极输入SPWM控制脉冲序列，则在A、B两点间获得正半周的SPWM波形，如图5-5所示。同理, 在交流电源us的负半周， 控制电路关断V1、V4, 而在V2、V3的控制极输入SPWM控制脉冲序列，则在A、B两点间获得负半周的SPWM波形，通过电容C滤波，在负载上可获得稳定的直流电压。调节加在V1、V2、 V3、V4控制极上的脉冲序列的宽度，即可调节整流电路输出直流电压的大小， 实现可控整流。
图 5-4 单相全桥PWM整流电路
PWM控制的基本思想
1）重要理论基础——面积等效原理
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
可用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：
根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
2）PWM电流波
电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。
PWM波可等效的各种波形：
PWM整流电路的工作原理
PWM整流电路也可分为电压型和电流型两大类，目前电压型的较多。
（1）单相PWM整流电路
半桥电路直流侧电容必须由两个电容串联，其中点和交流电源连接。
交流侧电感Ls包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感，是电路正常工作所必须的。
单相PWM整流电路
全桥电路直流侧电容只要一个就可以。
A. 单相全桥PWM整流电路的工作原理
正弦信号波和三角波相比较的方法对图中的V1~V4进行SPWM控制，就可以在桥的交流输入端AB产生一个SPWM波uAB。
uAB中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波，不含有低次谐波。
由于Ls的滤波作用，谐波电压只使is产生很小的脉动。
当正弦信号波频率和电源频率相同时，is也为与电源频率相同的正弦波。
us一定时，is幅值和相位仅由uAB中基波uABf的幅值及其与us的相位差决定。
改变uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is与us相位差为所需角度。
B. 对单相全桥PWM整流电路工作原理的进一步说明
整流状态下:
us > 0时，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分别组成两个升压斩波电路，以（V2、VD4、VD1、Ls）为例。
V2通时，us通过V2、VD4向Ls储能。
V2关断时，Ls中的储能通过VD1、VD4向C充电。
us < 0时，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分别组成两个升压斩波电路。
可见，在PWM整流电路的交流端A、B之间产生了一个正弦波调制的电压uAB，uAB中除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。图5-4中在整流电路的交流侧串有电感Ls，它的作用就是将交流侧电流中的高次谐波滤除，使交流侧电流is产生很小的脉动。如果忽略这些脉动成分，is为频率与电源电压us频率相同的正弦波。
在交流电源电压us一定时，is的幅值和相位由uAB中基波分量的幅值及其与us的相位差决定，改变uAB中基波分量的值和相位即改变加在V1、V2、V3、V4控制极上SPWM脉冲序列的幅值和相位，就可使电源电流is与电压us相位相同，从而使整流电路交流侧的输入功率因数为1，彻底解决UPS电力电子装置造成的电网谐波污染的问题。
图5-6给出了如何实现电源电流is与电压us同相位的控制系统结构示意图。该控制系统为双闭环控制系统。电压环为外环，其作用是调节和稳定整流输出电压。电流环为内环，其作用是使整流电路交流侧的电流is与电压us相位相同。
图 5-6 电流电压同相位控制系统结构图
该图中电压给定控制信号为直流电压U*d，调节U*d可以调节PWM调制波的幅值，即可调节PWM控制脉宽，使整流输出电压增大或减小。Ud为整流输出的实际电压的反馈信号，如果整流输出电压与给定控制信号所希望的电压值相同，即Ud= U*d ， 则图中比例积分调节器PI不起调节作用，整流输出电压Ud保持不变。在U*d不变的情况下，因为其它原因使实际输出电压Ud与希望电压值不相等时，U*d与反馈的实际电压信号Ud相比较后，可使控制电路输出的PWM脉冲宽度根据误差值（Ud大于或小于U*d ）增大或减小，从而使输出电压增大或减小，使输出电压稳定在希望值。
图中直流输出电压给定信号和实际的直流电压反馈信号比较后送入比例积分PI调节器，PI电压调节器的输出即为整流器交流输入电流的幅值Im，这是一直流信号，它的大小反应了整流输出电压的实际值与希望值之间的差异。它与标准的正弦波相乘后形成交流输入电流的给定信号i*s。标准的正弦波就是与电源电压us同相位的电压信号，当它与信号Im相乘后，只增加或减小其幅值，而不会改变它的相位，即i*s的相位始终与电源电压us的相位相同，其幅值则随着PI调节的差值而变化。这个幅值的变化就是后续PWM控制电路的电压幅值变化的控制信号。 因此，可以根据实际输出的电压来调节PWM的脉宽，使输出电压达到希望值。
图中is为整流电路交流侧实际电流的反馈信号，当这个电流与给定电流的相位相同时，图中比例调节器K不起作用， PWM控制信号保持不变；当反馈电流信号is与电源电压us相位有差异时，即is与i*s有相位差时，调节器K起调节作用，它可以调节后续比较器电路，从而调整PWM脉冲的相位，直到反馈信号is与给定信号i*s的相位相同而止，这样就达到了整流电路交流侧电流、 电压同相位的目的。
三、重要考点
（一）选择题
1.下列UPS中不需要转换时间的是（）。
A. 后备式UPS B. 在线式UPS C. 在线交互式UPS
答案：B
（二）判断题
1. UPS输出波形中谐波分量所占的比率称为输出电压波形失真度。（正确）
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