UPS常见结构和工作原理

UPS电池
UPS电池与通信用电池比较
通信用 设计取向 设计寿命 铅膏配方 隔板 长时间、小电流、深放电 10年以上 长寿命配方，循环寿命长 长寿命隔板，较厚 UPS用 短时间、大电流放电、浅放电 3～5年 大功率配方，循环寿命短 大孔径隔板，较薄，小电流深放 电易造成枝晶短路，寿命终止。
过放电恢复能力
第二节 常用UPS结构形式及特点
维修开关
旁路输入空开
1
市电输入空开 输入EMI 整流 逆变 切换开关 输出EMI
2
负载
3 4
充电器 电池组
• 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 • ① 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。
第一节 UPS的分类
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
第三节 UPS电源系统的组成
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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； （2）具有输出电压保持能力；
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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。
• 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
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
• ② 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。 • ③ 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 。
密封方式 容量
19
板栅合金高锡含量，良好
高可靠密封 10小时率
一般
一般 20小时率
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，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。
第二节 常用UPS结构形式及特点
• （2）性能特点 • ① 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。 • ② 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。 • ③ 输入可控整流器使UPS 输入功率因数低，
第三节 UPS电源系统的组成
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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； （2）具有输出电压保持能力；
不间断UPS电源
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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 Uninterruptible Power System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。
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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
第二节 常用UPS结构形式及特点
220±4％～±10％V
市电
负载
175～264V
充电器
逆变器
电池组
• 后备式电路结构框图
第二节 常用UPS结构形式及特点
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（1）功能部件 ① 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。 ② DC -AC 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。 ③ 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 ① 当市电正常时，效率高，可达98 ％以上。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 市电掉电时，输出有转换时间，一般可做到4-10ms 左右。 ⑥ 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。 ⑦ 电路简单、成本低、可靠性高。 ⑧ 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 • （2）性能特点 • ① 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。 • ② 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。 • ③ 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。 • ④ 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
Байду номын сангаас
• （2）性能特点 • ① 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。 • ② 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。 • ③ 输入可控整流器使UPS 输入功率因数低，