不间断电源的作用及应用

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。广义地说，UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况。UPS是恒压恒频（CVCF）电源中的主要产品之一。UPS广泛应用于对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合，例如用于银行、证券交易所的计算机系统，网络中的服务器、路由器等关键设备，各种医疗设备，办公自动化（Office Automation，OA）设备，工厂自动化（Factory Automation，FA）机器等。

UPS基本结构原理图如图7-30所示。UPS的基本工作原理是，当市电正常时，市电经整流器整流为直流给蓄电池充电，可保证蓄电池的电量充足。一旦市电异常乃至停电，即由蓄电池向逆变器供电，蓄电池的直流电经逆变器变换为恒频恒压交流电继续向负载供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响。在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变或瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压稳步的性能，因此也称为稳压稳步电源。

为保证市电异常或逆变器故障时负载的切换，实际的UPS产品中多数都设置了旁路开关，如图7-31所示。市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S切换，若逆变器发生故障，可由开关自动切换为市电旁路电源供电。只有市电和逆变器同时发生故障时，负载供电才会中断。还需注意的是，在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电源的相位一致，通常采用锁相同步的方法。

图7-30 UPS基本结构原理图

图7-31 具有旁路开关的UPS系统

在市电断电时，由于蓄电池提供电能，供电时间取决于蓄电池容量的大小，有很大的局限性，为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源，如图7-32所示。图中，一旦市电停电，则在蓄电池投入工作之后，即起动油机，由油机代替市电向整流器供电；市电恢复正常后，再重新由市电供电。蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以小一些。

以上介绍的是几种常用的UPS构成方式，为了尽可能地提高供电质量和可靠性，还可以有很多其他的构成方式，本书不再一一介绍。下面举几个具体的例子，介绍UPS的主电路结构和工作方式。

图7-32 用柴油发电机作为后备电源的UPS

（1）小容量UPS主电路

图7-33给出了容量较小的UPS主电路。整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作PFC），可获得较高的交流输入功率因数。与此同时，由于逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。

图7-33 小容量UPS主电路

(www.xing528.com)

图7-35 后备式UPS的电路原理图

（2）大容量UPS主电路

图7-34所示为使用GTO的大容量UPS主电路。逆变器部分采用PWM控制，具有调节电压的功能，同时具有改善波形的功能。为减小GTO的开关损耗，采用较低的开关频率，为了减少输出电压中所含的低次谐波，逆变器的PWM控制采取消除3次谐波的方式。而且将电角度相差30°的两台逆变器用多绕组输出变压器合成，消除了5次、7次谐波。此时输出电压中所含的最低次谐波为11次，从而使交流滤波器小型化。

（3）后备式UPS

后备式UPS的电路原理图如图7-35所示。当公用电网（简称公网）供电正常时，公网一方面经过S₂开关电路向负载供电，另一方面经过输入变压器、充电器向蓄电池组充电，S₁开关阻断。当公网供电出现异常情况时，立即切断S₂，使负载与公网没有联系，同时，S₁开关立即开通，蓄电池组向逆变器供电，逆变器经输出变压器和开关S₁向负载供电。如果公用电网正常，则通过S₂直接向负载供电，逆变器工作在空载状态下，S₁开关阻断。这种后备称为热后备UPS；如果公用电网正常，由S₂直接向负载供电，逆变器停止工作，当有故障时，在控制系统的指令控制下，使逆变器投入工作，再经过S₁开关向负载供电。这种后备称为冷后备UPS。

整流电路可以是可控的，也可以是不可控的，逆变电路一般采用自关断器件，图中的输入、输出变压器是为了实现电气隔离和交、直流电压匹配而设的，可根据不同的要求选取。

图7-36 在线双变换式UPS的电路原理图

（4）在线双变换式UPS

在线双变换式UPS的电路原理图如图7-36所示，当公用电网供电正常时，公网经过输入变压器、充电器向蓄电池组充电，同时公网经过整流器实现交流变直流的变换后为逆变器提供直流电，逆变器完成直流-交流变换输出的恒压、恒频的交流电，经过S₁开关向负载供电，此时，S₂是断开的。

当公网供电出现异常情况时，切断S，蓄电池组为逆变器提供直流电能，逆变器继续经开关S₁向负载供电。因此，在线双变换式UPS无论是在公网正常还是故障时都由逆变器供电。在线双变换式UPS工作时，其输出的交流电压、频率要和公网的电压、频率相等，相位也与公网的同步。S₂的作用是当逆变器出现故障时，切断S₁，由公网直接向负载供电。

当公网正常时，公网和逆变器同时对负载供电；公网发生故障时，由逆变器单独向负载供电，这是在线互动式UPS的工作特点。图7-37是双变流串、并联补偿式UPS电路原理图。该电路不但可以获得优良的输入、输出特性，还可以减小变压器的总容量，提高运行效率。

图7-37 双变流串、并联补偿式UPS电路原理图

图中整流器Ⅰ和Ⅱ都是采用双向AC↔DC SPWM变流器，其直流侧接蓄电池，变流器Ⅰ经过电感L₁和变压器T输出的电压Δu串联接到电源u_S和负载u_L之间，称为串联补偿变流器，它提供的补偿电压Δu用来补偿电源电压u_S中的谐波u_Sh，这样可以使负载中的电压u_L与电源电压的基波电压u_S1有相同的正弦基波额定电压u_R。变流器Ⅱ经过L₂、C₂滤波后并联接在负载两端，称为并联补偿变换器。通过对变流器Ⅱ的控制，可使它的输出到负载上的电压为u_R，并向负载输出电流i₂=i_LQ+i_LH+（I_LP-I_S），其中i_LQ、i_LH补偿负载的无功和谐波电流，使交流电源只向负载输出基波有功电流I_S，功率因数cosϕ=1，负载的有功电流I_LP由交流电源（I_S）与变流器Ⅱ共同提供。