中小型U P S的工作原理及共应用

2007-08-13 09:59:57 作者：雷诺电子来源：文三街在线浏览次数：1202 文字大小:【大】【中】【小】

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中小型U P S的工作原理及共应用

2．2整流滤波电路
(1)整流器
整流器是将交流变换为直流，供给逆变器，并
具备对蓄电池进行充电的功能。根据UPS电路组成
的不同，有对输出电压进行控制的电路结构与只是
将交流变换为直流的电路结构。传统的电路方式是
采用二极管整流器和晶闸管整流器，但采用这种电
路时会产生高次谐波影响电力系统，所以要采用谐
波分量较小以及功率因数较高的电路方式。
— — 高功率因数变换器
高功率因数变换器是在整流电路中采用开关
元器件，使交流输入电流为高功率因数的正弦波，
并能使直流输出电压稳定的电路方式。在小功率到
大功率UPS中，这种电路正在进入实用阶段。如图
15所示为各种高功率因数变换电路。单相输入UPS
通常采用图(a)～图(c)的三种方式，三相输入UPS
通常采用图(d)方式。这些都是直流输出电压高于
紊
笑
2
Z
￡厂
笑
P
N
直
流
输
出
紊U
笑
交流输入电压峰值的升压方式。在小功率UPS中采
用单相输入的升压斩波式与半桥式电路，在较大功
率UPS中采用单相输入的混合桥式电路。这里介绍
的都是交流输入电流失真小的正弦波，但从小型轻
量化和低价格来看这还不够。为此，近来正在研制开
发简易型高功率因数变换器。
— — sMR变换器
SMR(Switch Mode Rectifier)是用一种变换电路
对交流输入的高次谐波电流进行抑制，在输出部分
用高频变压器进行隔离，并进行整流平滑获得直流
输出的电源变换方式。电路构成如图16所示，图(a)
为基础电路，它是在由双向开关构成的频率变换电
路的交流输入侧接有交流电感，在其输出侧接有高
频变压器，并在高频变压器的次级接有整流器与平
滑电容而构成的电路。与采用工频变压器进行隔离
的高功率因数变换器相比体积与重量都小得多，但
需要采用双向开关元件及交流缓冲电路。
(a)单相升压斩波式 (b)单相倍压整流式
(c)单相混合桥式
P
直交rr
流流
输输
出入”
N
P
(d)三相全桥式
图15各种高功率因数变换器电路
图(b)和图(c)是不需要采用双向开
关元件和交流缓冲电路的方式。图(b)是
单相电路方式，频率变换器是采用二极管
的串联电路与两组开关元件的串联电路
进行并联而构成的交流开关，在频率变换
器的交流输入侧接有交流电感滤波器，在
其输出侧接有带中间抽头的高频变压器，
并在高频变压器的次级接有整流器与平
滑电容。由于使用了带中间抽头的变压
器，半导体器件上加的电压为输入电压的
两倍以上，采用的交流输入电压受到使用
的半导体器件的限制，但由于流过电流的
器件少了(省去双向开关器件和交流缓冲
电路)，所以可得到较高的变换效率。
蔓旦
总第45翔l：，J
直流输出
交u
流
输
入
交
流
输
入
频率变换电路
髓
(I】基本电路
频率变换电路
z占JK ．J -K _本J变高压频器2‘ Z
{ __]
= [ =
J -K 2
U
蠢
入
(b)改进型单相电路
频率变换电路
2
一
曹
Z
波器
工．_= 热 2 — Z
J
一 LT上一 Z lIE
2
Z
整流薯
Z
(c】改进型三相电路
图16 SMR变换器的电路结构
图(c)为改进型的三相电路，交流开关电路有
三组，每相一组，每组的电路结构与单相情况相
同。它是在交流输入的各线间接电容，交流开关电
路的输出接高频变压器，变压器的次级接整流器与
直流电感的电路结构。使用的半导体器件较多，但
由于采用了高频变压器，以及负载回授式电容缓冲
电路，因此，非常有利于UPS的小型轻量化。
(2)滤波器
滤波器的作用是滤除脉动直流中的交流分量，
使之成为平滑的直流电。滤波器电路一般是由电
容、电感、电阻以及三极管、MOSFET、IGBT管等元器
件组成。凡是含有三极管、MOSFET、IGBT管器件的
滤波器，叫做有源滤波器，它的电路比较复杂，但滤
园
波效果比较好。UPS普遍使用有源滤波器。
— — uPS中采用的有源滤波器
有源滤波器电路有如图17所示的13种方式，
分为隔离式和非隔离式，其中分别又有升压型、降
压型和升降压型等，还进一步分为单管式与两管式
等等。升压型是输出电压高于交流输入电压的峰
值，电感是高频工作方式，有利于UPS小型轻量化，
因此，这是UPS广泛采用的一种方式。降压型是输
出电压低于交流输入电压绝对值的平均电压，电感
是市电频率工作方式，体积较大，UPS中不太适用。
升降压型是既可升压又可降压，输出电压在较宽的
范围内改变，但UPS的输出电压没有必要在较宽的
范围内改变，而电感量又比升压型大，所以，UPS中
不太适用。这样，UPS中采用的有源滤波器有图(a)
～图(e)和图(k)、图m)等7种，但常用的有图(a)、
图(b)、图(e)、图(d)和图(m)等5种方式。
图(a)是非隔离升压型单管式有源滤波器，电路
构成简单，只用1个开关器件，用于小功率UPS
中。若采用市售的专用集成控制电路，控制电路就
更加简单。图(b)是非隔离升压型2管串联方式有源
滤波器，开关器件与二极管串联连接构成的。若采
用FET模块和二极管模块等构成，则电路就非常简
单，可用于几千伏安的UPS中。图(d)是非隔离升压
型倍压式有源滤波器，若与图18所示的半桥式逆变
器组合使用，就能使s为输人输出的共用点，不需
要采用隔离变压器，可使UPS小型轻量化。图(e)是
非隔离升压型全桥式有源滤波器，用于大功率UPS
中，若增设一个桥臂，就能用三相交流输入电源，广
泛用于几十千伏安的UPS中。图(in)是隔离升压型
全桥式有源滤波器，输入输出隔离采用小型高频变
压器，因为省掉了笨重的工频变压器，所以可使
UPS小型轻量化，可用于几千伏安的UPS中。
— — 小功率UPS中有源滤波器应用实例
图19是小功率sA系列UPS中有源滤波器应用
实例。由框图可知，采用逆变器供电方式，逆变器与
市电旁路同步运行，过负载或出现故障时进行无瞬
断切换供电。图(b)电路中示出了交流值流变换电
路与直流／交流变换电路(逆变器)。交流／直流变换
直流输出
± ! l vInI1，W ■_
． UDSaDD．com l
2 一
=
+
一
一
2 2
L
l = 一+
z 一
(a)非隔离升压型单管式 (b)非隔离升压型2管串联方式 (c)非隔离升压型2管并联方式
(d)非隔离升压型倍压式
=
+
一
一
L
(e)非隔离升压型全桥式
Z Z
) + 一
Z 2
(f)非隔离升降压型单管式
Z I 2 f’ ⋯-上『+-
T
2 2 l
(g)非隔离升降压型2管式 )非隔离升降压型全桥式 (i)非隔离降压型单管式
=
+
一
一
d)tl~隔离降压型全桥式
Z Z
，一一、
+
--b = _ ，
一
2 2
(m)隔离升压型全桥式
Z l 2 Z
2
一．(
，_Y、r、
。Z j
O【)隔离升压型推挽式
Z
Z 2
(n)隔离升降压型单管式
图17有源滤波器的电路方式
电路中采用工作频率为45kHz的隔离全桥方式的
有源滤波器，因为这种有源滤波器采用高频变压器
对输入输出进行隔离，所以可使UPS小型轻量化。
隔离全桥方式的有源滤波器是一种独特的电
路结构。对于通常的开关电源，若开关器件都截止，
则可简单停止运行，但这种方式采用有源滤波器，
若在输入电感L 流过电流的状态时，开关器件都截
止，则在L 中产生较大的浪涌电压，有可能损坏电
囫
I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．__J I．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
有源滤波器逆变器
(倍压方式) (半桥方式)
图l8采用倍压方式有源滤波器的UPS
R
S
旁路流通，往往造成uPs误动作。为此，sA系列UPs
对有源滤波器和逆变器的脉冲波采用相应措施防
止这种情况的发生。
— — 中功率UPS中有源滤波器应用实例
图20是中功率MB系列UPS中有源滤波器应
用实例，图(a)为框图；图(b)为电路图。与SA系列
一样采用常时逆变器供电的同步无瞬断切换方
T
(a)框图
上d V
一
。。
~10~Z l 一Z 醚 Z T·JⅥ6
交流／直流变换器(有源滤波器)
(b)电路图
、
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
直流／交流变换器
(逆变器)
图19 小功率UPS中有源滤波器应用实例
路中的元器件。为此，对于
sA系列UPS在启动与停止
时采用独特的脉冲波形防止
这种情况的发生。
另外，由于变压器T。漏
感的存在，当VT 和VT 截
止时将产生较大的电压浪
涌，为此，对于sA系列UPS
使变压器的漏感尽量小，同
时采用使vT 和VT 的损耗
小而对电压浪涌抑制效果好
的吸收电路。
一般来说，若抑制变压
器的漏感，则初、次级间分布
电容增大，这样，有高频环电
流经分布电容通过UPS的
圆
式。图(b)中示出了交流值流变换电
路与直流／交流变换电路(逆变器)。
交流／直流变换电路采用三相输入的
非隔离全桥方式有源滤波器。
为了提高UPS的功能，MB系列
UPS中采用了微型计算机进行处
理。这样，对于有源滤波器输入电压
与电流、输出电压等都要变换成数字
量，用微型计算机对各开关器件的驱
动脉冲宽度进行运算处理，实现对输
入电流的正弦波化以及输出电压的
恒压控制。另外，逆变器的PLL控制、
恒压控制等作为UPS的必要功能都
可由微型计算机来实现。还有运行操
作记录、测量显示以及故障记录等多
种功能也可由微型计算机来实现。
T
Ca)框图
C1o詈
VTn
J}
Jl
V
输出
单相l0oV
交流／直流变换电路直流／交流变换电路
(有源滤波器) (逆变器)
(b)电路图
图20 中功率uPs中有源滤波器应用实例
Cu
2．3逆变器电路
逆变器是将直流变换为交流，用
交流滤波器对波形进行整形，得到波
形失真小的正弦波。对于小功率UPS
也有输出方波的形式。一般电路结构
是用工频变压器对桥式逆变器的输
出进行隔离变换，再通过交流滤波器
使其变为正弦波。小功率逆变器采用
半桥式电路，大中功率逆变器采用全
桥式电路，但为了使其更加小型轻
吧脲上任!Jrp
一玉一⋯
直流输入 -l _』-
量化和低价格化，开始采用新型电路方式。
(1)基本变换方式
图21是最典型的逆变器电路结构。即是在逆
变器的直流输入侧接电解电容，在直流输出侧接工
频变压器，在变压器的次级接交流滤波器的电路结
构。逆变器的输出电压一般是采用PWN的恒压控
制方式，在小功率到大功率的UPS中广泛采用。对
于这种电路结构来说，可通过开关电源的高频化使
波形整形用交流滤波器小型化，有效利用变压器的
漏感用做电感，从而使UPS小型轻量化。
．．．望壅压器交流滤波器
嘉竺竺崎笳
T T
图21逆变器电路的基本结构
(2)高频环节变换方式
除了特殊情况外，UPS的输入输出需要进行隔
离，一般采用工频变压器，但这就使UPS小型轻量
化受到限制。研制开发成功的有采用MOSFET、IGBT
等高频开关元件的高频环节的变换方式，已经用于
部分小功率UPS中。高频环节变换方式的电路有各
种结构，图22示出高频环节变换方式的逆变器电
路实例，即常用的直流／直流变换器与循环换流
器。输入输出都采用高频变压器进行隔离，有利于
UPS小型轻量化。直流／直流变换器已经实用化了，
循环换流器正在开发阶段。对于直流／直流变换器，
它是采用高频变压器进行隔离而构成直流电压源，
(b)循环换流器
图22 高频环节变换方式的逆变器电路实例
交流输出
后接PWM逆变器的结构，由于变换器的串联环节
较多，效率不是太高，因此只用于小功率UPS中。
图23是循环换流方式的逆变器电路实例。图
(a)为单相输出用逆变器，图(b)为三相输出用逆变
器，它们都是用高频变压器对高频逆变器的输出进
行隔离，再用双向开关电路构成的循环换流器变换
为工频交流的变换方式。对于单相输出用逆变器，
输出电压的控制是对高频逆变器进行PWM控制与
对循环换流器进行控制的两种方式，但对于三相输
出用逆变器是对循环换流器进行控制的方式。
循环换流器方式与直流／直流变换器方式相比，
不需要中间直流环节，有利于性能的提高，但实际
应用时，关键问题是双向开关器件及其应用技术的
开发，对器件的期望值很高。
2．4静态开关
静态开关是保证系统不问断供电的重要环节。
在UPS中静态开关有两种形式，一种是用交流接触
器、继电器之类的有触点的。这种开关工作原理比
较简单，在有电时其控制线圈通电，其常开触点闭
合，常闭触点断开。当断电时它们的常开触点断开，
而常闭触点闭合，从而实现了UPS供电切换问题。
另一类是用晶闸管、开关晶体管等半导体器件组成
的无触点开关，下面重点介绍用晶闸管组成的静态
开关。
(1)晶闸管交流开关
晶闸管交流开关的供电系统是交流的，晶闸管
器件的断开可利用电源的固有特点而自行完成，无
需另设辅助电路。
圆
高频逆变器
(a)单相输出用逆变路
循环换流器
三相输出甩逆I变器
图23循环换流方式的逆变器电路实例
晶闸管交流开关，按其负载电流的性质，又可
分为交流负载和直流负载两种。
— — 交流负载时晶闸管开关
负载是交流的晶闸管交流开关基本电路如图
24所示。
图(a)为两只晶闸管器件反向并联连接的典型
电路。若两只晶闸管器件的触发角相同，R，，c均
可作为负载。
在图(b)中，因为与晶闸管元件连接了一个反
向特性比晶闸管器件高的二极管，
所以，对于反向电压来说，采用串联
二极管的办法可以对晶闸管器件起
到保护作用。对于正向电压来说，
即使施加较高的电压，也不会使晶
闸管器件破坏，只是使晶闸管器件
导通。但对于反向电压来说，如果
施加的电压超过了反向峰值电压的
话，则晶闸管就会瞬间损坏。因此
在图(a)的情况下，通常要采用峰值
电压为所加电压3～4倍的晶闸管
交流器件，而图(b)的电路，则可以用峰
输出值电压是电源电压的1
． 5～2倍的
晶闸管器件，比较经济。
图(C)和(d)的目的相同，但因
晶闸管器件的反向电压由二极管短
路，所以在晶闸管器件上不施加反
向电压。
通常情况下，使用图(C)的情况比
较多。在图(d)中，是由二极管电桥和一只晶闸管器
件组成，容量比较小。
图(e)为二极管和晶闸管器件反向并联连接的
电路，因为只有一个晶闸管器件，所以用晶闸管器
件的相位控制来调节负载时，只能在全负载的50～
100％的范围内进行。
— — 直流负载时的晶闸管开关
图25表示直流负载时晶闸管开关的基本电
路。这里所说直流负载是指电磁铁、电磁离合器、电
l l风 U U
垒
囵
(d) (e)
图24交流负载时的晶闸管开关
磁接触器等。图(a)为最简单的半波控制电
路，它适用于普通的电阻负载。图(b)是具有
续流二极管的电路，适用于感性负载。图(C)
电路使图(b)电路负载电流衰减缓慢现象有
所改善。图(d)是两个晶闸管臂的单相桥式
电路，可以看作是图(b)电路全波化了的电
路。图(e)为4个晶闸管臂的单相桥式电路，
可以看做是图(c)全波化了的电路。
(2)晶闸管直流开关
晶闸管直流开关的供电是直流电源，因
图26所示的是用电容器C和辅助晶闸管器件
SCRz使主晶闸管器件SCR。断开的直流开关。这种
并联电容器的直流开关在断续器、转换开关、并联
逆变器等场合广泛采用。
一_
图25直流负载有时的交流晶闸管开关在这个回路中
，若接通scR。，由电源E向负载
(上接p，54)
4 电池的保养
目前UPS使用的铅酸电池种类，包含加水式与
免维护阀控式，在UPS系统使用过程中，为达到基本
性能稳定度<10％的要求，进而确保电池在UPS系
统发挥应有功能，仍应定期做保养检点(见表2)。
5 结语
UPS电池需具备优良的高倍率放电、深度放电
及充电恢复性，可以忍受长时间浮动充电、寿命长、
性能稳定度高且价格要低廉，铅酸电池拥有150年
以上的发展历史，在技术上不断地开发及革新，产
品品质的稳定与信赖度，较其它种类电池优越，再
加上其价格低廉，是UPS系统首选伙伴。如今的UPS
在电池的维护和保养方面向用户提供了智能化电
池管理技术，以确保电池的寿命尽可能延长，并保
持良好的充放电能力。其中包括根据电池的电量自
动采取均充和浮充，并自动侦测电池的负载，根据
负载情况设定不同的保护电压，这项技术在应用上
已很成熟。■
表2 电池定期检点保养表
时问项目内容解决方法
浮动充电期间全部电池浮动充电总电压=单电池每月浮动充电浮动充电总电压值不符合标准，
总电压。电压×串联电池个数。调整其总电压值
浮动充电期间单体电池 (1)2V单体电池，单体电池浮充电压±0．IOV。单体电池电压不符合标准，
电压。 (2)4v单体电池，单体电池浮充电压±0．15V。则应修理或更换。
(3)6V单体电池，单体电池浮充电压±0．20V。
(4)12V单体电池，单体电池浮充电压±0．30V。
每半年检
查电池槽、盖有无损伤或漏液。若有漏液，应找出原因；电池槽、盖
有裂痕应更换。
电池外观。检查有无灰尘及其它污染
。如有弄脏，用湿布擦拭干净。
检查电池端子、板栅、连接板、连接线、电若有生锈，应做清洁、防锈处理、油
池架、接头有无生锈。漆或整修。
每年接续部位零件。按照扭力规格标准拧紧螺丝和螺帽。