本文主要簡單介紹典型傳統(tǒng)UPS基本原理，可供掌握UPS設(shè)備現(xiàn)場維護要點的學習參考。UPS設(shè)備的本質(zhì)類似變頻電源電路的設(shè)計，變頻電源又稱交一直一交變頻電源，通過AC-DC和DC-AC兩次電能變換，效率稍低，但前級市電的干擾不會影響后級，輸出波形好。

引言

本文主要簡單介紹典型傳統(tǒng)UPS基本原理，可供掌握UPS設(shè)備現(xiàn)場維護要點的學習參考。UPS設(shè)備的本質(zhì)類似變頻電源電路的設(shè)計，變頻電源又稱交一直一交變頻電源，通過AC-DC和DC-AC兩次電能變換，效率稍低，但前級市電的干擾不會影響后級，輸出波形好。變頻電源是通過控制功率開關(guān)器件的通斷，將工頻交流電先通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再通過逆變器轉(zhuǎn)換成頻率、電壓一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)的交流電輸出的電能控制裝置，多用于交流電機的變頻調(diào)速，不需要配蓄電池組。而UPS是不間斷電源，作為用電設(shè)備的高質(zhì)量高可靠、綠色電源，當電網(wǎng)停電時通過電池逆變方式輸出固定幅值頻率的交流電源，需要配置蓄電池組。

1.UPS系統(tǒng)基本組成

傳統(tǒng)工頻UPS系統(tǒng)一般UPS主要包括由整流模塊（REC）和逆變模塊（INV）、旁路靜態(tài)開關(guān)和逆變靜態(tài)開關(guān)、輸出隔離變壓器、蓄電池組以及輸入輸出配電開關(guān)等組成，開關(guān)是主路輸入空開、旁路輸入空開、維修旁路空開、輸出空開以及蓄電池開關(guān)等。系統(tǒng)組成如圖1-1所示，其中，空氣斷路器Q1控制主路交流電源輸入，整流模塊將交流電源變成直流電源，逆變模塊進行DC/AC變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成交流電源，經(jīng)過隔離變壓器輸出。蓄電池組在交流停電時通過逆變向負載供電。輸入電源也可以通過旁路靜態(tài)開關(guān)從旁路回路向負載供電，另外對負載供電不間斷而對UPS內(nèi)部進行維修時，可使用維修旁路開關(guān)Q3.

圖1-1 UPS原理框圖

2. Buck-Boost電路介紹

2.1 Buck-Boost電路

圖2-1 典型buck-boost原理電路

工作過程：

1. 當功率管導通時，等效如圖a，二極管D截止，電感L儲能，感應(yīng)電壓為上正下負，電容用自己儲能向負載放電。

2. 當功率管截止時，等效如圖b，二極管D導通，電感中電流不能反向，電感兩端產(chǎn)生自感電動勢為下正上負。電感儲能向電容充電和向負載放電。

3. 控制電路根據(jù)輸出電壓和電流的變化，控制功率管的導通和關(guān)斷時間，就可以控制輸出電壓的大小。

2.2 UPS中典型PFC主功率模塊圖

APFC技術(shù)的核心是引進電壓和電流反饋，以構(gòu)成一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)穩(wěn)定輸出電壓，內(nèi)環(huán)實現(xiàn)輸入電流調(diào)控和整形，使之成為與電壓同相位的標準正弦波，以提高入端功率因數(shù)，例圖說明其主要功能：市電供電時作整流升壓電路，并進行輸入功率因數(shù)校正；電池供電時作DC/DC升壓，PFC模塊電路工作原理圖如：

圖2-2 PFC主功率模塊原理圖

工作原理：主電路采用PFC主電路結(jié)構(gòu)，同時兼作電池供電時的DC/DC升壓主電路。正負半周分別控制。控制電路由硬件構(gòu)成，一般采用PFC專用芯片UC3854AN.

市電輸入正半周時，上部分正半周PFC電路工作；市電輸入負半周時，下部分負半周PFC電路工作，在UC3854AN芯片內(nèi)部電流環(huán)的調(diào)節(jié)下，輸入電流跟蹤輸入電壓呈正弦波形，且與輸入電壓同相； 在UC3854AN芯片內(nèi)部電壓環(huán)的調(diào)節(jié)下，使輸出電壓穩(wěn)定電壓。

電池輸入時，正半周PFC電路工作在直流BOOST電路狀態(tài)；負半周電路工作在BUCK/BOOST電路狀態(tài)。使輸出電壓仍穩(wěn)定電壓不變。

3.整流器基本原理

3.1三相全橋整流

對于中大功率UPS，早期一般采用晶閘管整流電路完成整流，該變換器由于輸入電流不連續(xù)，功率因數(shù)較低，需要輸入側(cè)加LC二階濾波器以濾除電流諧波，這就增加了變換器的體積及成本，另一種形式采用IGBT及功率二極管組成Vienna整流器拓撲結(jié)構(gòu)來確保輸入的高功率因數(shù)。SCR整流電路一般有6脈沖和12脈沖整流。如圖3-6為SCR整流原理示意圖及采用三相SCR全橋整流電路6脈沖整流器圖，SCR觸發(fā)脈沖順序：1－2－3－4－5－6－1.

圖3-1 6脈沖SCR全橋整流原理圖

12脈沖整流器采用了兩個6脈沖整流器，其中一個6脈沖整流器的輸入經(jīng)過了一個30度移相的移相變壓器。如圖3-2所示，圖中“負載”所指為“電池及逆變器”。

圖3-2 12脈沖整流器原理示意圖

4. 逆變器基本原理

4.1 SPWM波

UPS逆變輸出功率管的控制方式一般采用SPWM（正弦波脈沖寬度調(diào)制）方式；它用調(diào)整脈沖寬度和控制占空比的方法來達到輸出電壓穩(wěn)定。如圖4-1為SPWM波產(chǎn)生過程。

圖4-1 SPWM波產(chǎn)生示意圖

4.2 全橋逆變

原理工作過程，逆變電路在SPWM信號的控制下兩主功率管互補導通，這樣在橋臂中點得到如圖4-2所示寬度變化、幅值相同的正負極性方波。此波經(jīng)LC濾波器濾除高次諧波后即可輸出正弦波，全橋逆變電路如下圖所示：

圖4-2全橋逆變原理示意圖

5.靜態(tài)開關(guān)

UPS的旁路和逆變輸出支路分別接有靜態(tài)開關(guān)。靜態(tài)開關(guān)是有兩個正反向并接的晶閘管組成，如圖5-1所示，它使負載既可以連接到逆變器的輸出又可以連接旁路電源上。在正常情況下，負載由逆變器供電，此時逆變器側(cè)的靜態(tài)開關(guān)閉合；但出現(xiàn)過載或逆變器故障時，靜態(tài)旁路開關(guān)自動將負載切換到旁路電源。

圖5-1 靜態(tài)開關(guān)工作原理圖

6. UPS系統(tǒng)常見工作模式介紹

6.1 正常工作模式

在主路市電正常時，UPS一方面通過整流器、逆變器給負載提供高品質(zhì)交流電源；另一方面通過整流器為電池充電，將能量儲存在電池中。 AC輸入經(jīng)過整流器由AC變換成DC電壓，再經(jīng)逆變器由DC變換成AC輸出，經(jīng)由兩級變換以后，能得到精度和質(zhì)量都較好的輸出電壓，可以防止輸入諧波、毛刺、電壓瞬變等干擾影響負載；同時整流后的母線通過充電器為電池充電原理框圖見圖6-1.

圖6-1 正常工作模式

6.2 電池工作模式

當UPS正常工作，整流器AC輸入電壓發(fā)生異常時，UPS系統(tǒng)自動無間斷地切換到電池工作模式，由電池通過逆變器輸出交流電向負載供電。市電恢復(fù)后系統(tǒng)自動無間斷地恢復(fù)到正常工作模式。原理框圖見圖6-2.

圖6-2 電池工作模式

6.3 旁路工作模式

當UPS偵測到模塊過溫，過載或者其他會關(guān)閉逆變器等的故障，系統(tǒng)自動無間斷切換到靜態(tài)旁路電源向負載供電。旁路電源會直接給負載提供能量，電流回路如下圖中粗線所示。旁路模式下負載供電質(zhì)量不受UPS保護，容易受到停電、AC電壓波形/頻率異常等狀況影響

當用戶關(guān)機、或主路市電異常且電池儲能耗盡、或發(fā)生嚴重故障等情況下、逆變器關(guān)閉，系統(tǒng)會切換并停留在旁路工作模式。此后若需恢復(fù)到正常工作模式，則需要用戶重新開機。原理框圖見圖6-3.

圖6-3 旁路工作模式

6.4 維修工作模式

對UPS系統(tǒng)及電池進行全面檢修或設(shè)備故障維修時，可以通過閉合維護開關(guān)Q3BP，將負載轉(zhuǎn)向維修旁路直接供電，以實現(xiàn)對負載不停電維護。維修時需要斷開UPS內(nèi)部的主路輸入開關(guān)Q1、旁路輸入開關(guān)Q2和電池輸入開關(guān)QF1以及輸出開關(guān)Q5，實現(xiàn)UPS內(nèi)部不帶電而對負載仍然維持供電的維修工作模式。原理框圖見圖6-4.

圖6-4 維修工作模式

總結(jié)：

本文簡單介紹了傳統(tǒng)SCR整流UPS（工頻）基本原理，它優(yōu)點為輸入輸出隔離、電網(wǎng)擾動不會影響負載、電池直接掛在母線上，缺點：體積大，重量大、成本高、輸入諧波電流大、污染電網(wǎng)。目前趨勢為功率因數(shù)高、諧波電流小、輸入特性好、體積小、重量輕無隔離三相UPS（高頻機）為主流，但通過學習典型傳統(tǒng)UPS基本原理，可以學習掌握UPS現(xiàn)場維護及設(shè)備故障的處理。