UPS的電路結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

一、 UPS電路結(jié)構(gòu)種類(lèi)
當(dāng)前技術(shù)成熟并已形成產(chǎn)品的各種UPS，就其主電路結(jié)構(gòu)和不停電供電運(yùn)行機(jī)制來(lái)看，主要有四大類(lèi)：
·后備式
·在線互動(dòng)式
·雙逆變?cè)诰€式
·雙逆變電壓補(bǔ)償在線式（delta逆變器）

圖(一)、(二)、(三)、(四)分別是以上四種類(lèi)型UPS的基本電路結(jié)構(gòu)形式。
1、 后備式是靜止式UPS的最初形式，因?yàn)閼?yīng)用得早，用得廣泛，因而技術(shù)和產(chǎn)品都是很成熟的，圖（一）中電路各環(huán)節(jié)的功能為：
·充電器：市電存在時(shí)，對(duì)蓄電池充電并浮充，如果是長(zhǎng)延時(shí)UPS，就要求它有較強(qiáng)的充電能力，或者外加相應(yīng)容量的附加充電器。
·DC-AC逆變器：市電存在時(shí)，逆變器不工作；市電掉電時(shí)，由它將直流電壓（電池供給）變成符合負(fù)載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準(zhǔn)方波、正弦波三種形式。

·輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：市電存在時(shí)，接通輸入電源向負(fù)載供電；市電掉電時(shí)，斷開(kāi)電網(wǎng)，接通逆變器，繼續(xù)向負(fù)載供電。 智能調(diào)壓：市電存在時(shí)，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓。
后備式UPS的性能特點(diǎn)是：
·當(dāng)市電存在時(shí)，效率高，可達(dá)98%以上；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載電流，UPS本身不 產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率因數(shù)、過(guò)載等沒(méi)有嚴(yán)格地限制；
·市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間,一般可做到4ms左右,足以滿足負(fù)載要求；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負(fù)載要求；
·當(dāng)市電存在時(shí)，整機(jī)要靠附加濾波電路提高UPS雙向抗干擾功能；
·電路簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高；
·由于輸出有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，受切換電流能力和動(dòng)作時(shí)間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當(dāng)前面市的后備式UPS多在2KVA以下。
2、 在線互動(dòng)式的在線含意是逆變器處于熱備份狀態(tài)，同時(shí)兼顧了對(duì)電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，提高了對(duì)輸出電壓的濾波作用。

圖（二）中電路各環(huán)節(jié)的功能如下：
·輸入開(kāi)關(guān)：當(dāng)市電掉電時(shí)（指電網(wǎng)失壓），斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，防止逆變器向電網(wǎng)饋電；
·智能調(diào)壓：市電存在時(shí)，可調(diào)節(jié)穩(wěn)定輸出電壓；
·DC/AC逆變器：此逆變器可雙向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，逆變方向是AC- DC, 給電池充電并浮充；市電掉電后，逆變方向?yàn)镈C-AC，由電池供電，保持UPS繼續(xù)向負(fù)載供電。
在線互動(dòng)式UPS的性能特點(diǎn)是：


·當(dāng)市電存在時(shí)，效率高，可達(dá)98%以上；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波成份取決于負(fù)載 電流，UPS本 身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)和諧波電流失真；
·當(dāng)市電存在時(shí)，輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流峰值系數(shù)、浪涌電流系數(shù)、輸出功率 因數(shù)、過(guò)載等沒(méi)有嚴(yán)格地限制；
·市電掉電時(shí)，因?yàn)檩斎腴_(kāi)關(guān)存在開(kāi)斷時(shí)間，至使UPS輸出仍有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式要??；
·市電存在時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定精度差，但能滿足負(fù)載要求；
·市電存在時(shí)，因?yàn)槟孀兤髦苯咏釉谳敵龆?，并且處在熱備份狀況，對(duì)輸出電壓尖峰干擾有濾波作用；
·電路更簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高；
·逆變器同時(shí)有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強(qiáng)的多，當(dāng)要求長(zhǎng)延時(shí)供電時(shí)，無(wú)須再增加機(jī)外充電設(shè)備；
·由于逆變器與輸出直接接在一起，沒(méi)有轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的限制，所以輸出功率可提高到5-10KVA。
為了進(jìn)一步改善在線互動(dòng)式的功能，可在輸入開(kāi)關(guān)和智能調(diào)壓之間串接一個(gè)電感，目的在于當(dāng)市電掉電時(shí)，逆變器可立即向負(fù)載供電，因?yàn)榇?lián)電感對(duì)逆變輸出反饋到電網(wǎng)的電流有很強(qiáng)的抑制作用，避免了輸入開(kāi)關(guān)未斷開(kāi)時(shí)短路逆變器輸出的危險(xiǎn)，這樣做可以使在線互動(dòng)式的轉(zhuǎn)換時(shí)間減小到零，使其完全具備雙逆變?cè)诰€式的轉(zhuǎn)換功能，同時(shí)還增加了整個(gè)UPS的抗干擾能力。但是，這樣做卻帶來(lái)了降低UPS輸入功率因數(shù)的不良后果。
3、 雙逆變?cè)诰€式
當(dāng)前，絕大多數(shù)在線式，特別是大功率在線式UPS，大都采用了雙逆變電路結(jié)構(gòu)，圖（三）中電路各環(huán)節(jié)功能如下：

　·逆變器（Ⅰ）：該逆變器為AC-DC單向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，它完成對(duì)電池的充電，并通過(guò)逆變器（Ⅱ）向負(fù)載供電，該逆變器多為整流或可控整流電路；

　·逆變器（Ⅱ）：該逆變器為DC-AC單向逆變，當(dāng)市電存在時(shí)，它由逆變（Ⅰ）取得功率后再送到輸出端，并保證向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源；當(dāng)市電掉電時(shí)，由電池通過(guò)逆變器（Ⅱ）向負(fù)載供電；
　·旁路開(kāi)關(guān)：平時(shí)處在斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)逆變電路發(fā)生故障，或者當(dāng)負(fù)載有沖擊性（例如啟動(dòng)負(fù)載時(shí)）或故障過(guò)載時(shí)，逆變器停止輸出，旁路開(kāi)關(guān)接通，由電網(wǎng)直接向負(fù)載供電，旁路開(kāi)關(guān)多為智能型的功率容量很強(qiáng)的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。
雙逆變?cè)诰€式UPS的性能特點(diǎn)如下：
　·因?yàn)椴还苁须娪袩o(wú)，負(fù)載的全部功率都由逆變器給出，所以可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定精度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真度等指標(biāo)，都是比較高的；
　·市電掉電時(shí)，輸出電壓不受任何影響，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間；
　·因?yàn)闊o(wú)論市電有無(wú)，全部負(fù)載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對(duì)負(fù)載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數(shù)（一般只達(dá)到3:1）、過(guò)載能力、輸出功率因數(shù)（一般為0.8）、輸出有功功率小于標(biāo)定的KVA數(shù)，應(yīng)付沖擊性負(fù)載的能力等；
　·由于逆變器（Ⅰ）多為整流電路，對(duì)電網(wǎng)形成電流諧波干擾，輸入功率因數(shù)低，經(jīng)濾波后，最小的諧波電流成份在10%左右，而輸入功率因數(shù)只有0.8左右，如果在逆變器（Ⅰ）中使用功率因數(shù)校正技術(shù)，則可把輸入功率因數(shù)提高到接近1，輸入電流諧波成份也會(huì)大幅度降低；
　·在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以整機(jī)效率低，10KVA以下的UPS為80%左右，50 KVA的可達(dá)85-90%，100 KVA以上的可達(dá)90--92%。
4、 雙逆變電壓補(bǔ)償在線式技術(shù)是由美國(guó)APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成產(chǎn)品的，同樣是雙逆變電路結(jié)構(gòu)，同樣是在線工作，但是，由于它成功地把交流穩(wěn)壓技術(shù)中的電壓補(bǔ)償原理用到了UPS的主電路中，相對(duì)雙逆變?cè)诰€式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境并且不干擾破壞電網(wǎng)、在輸出能力和可靠性等多項(xiàng)UPS主要指標(biāo)方面都有了新的突破。APC Silcon稱此電路結(jié)構(gòu)為Delta逆變技術(shù)。

圖（四）中各環(huán)節(jié)的功能為：
·逆變器（Ⅰ）：它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器（高 頻）的付邊串聯(lián)在UPS主電路中，其功能有三個(gè)：
第一：對(duì)UPS輸入端進(jìn)行輸入功率因數(shù)補(bǔ)償，并抑制輸入電流諧波；
第二：與逆變（Ⅱ）一起，完成對(duì)輸入電壓的補(bǔ)償，當(dāng)輸入電壓高于輸出 電壓額定值時(shí)，逆變器（Ⅰ）吸收功率，反

極性補(bǔ)償輸入輸出電壓的差值，當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓額定值時(shí)，逆變器（Ⅰ）輸出功率，正極性補(bǔ)償輸入輸出電壓的差值；
第三：與逆變器（Ⅱ）一起完成對(duì)電池的充電和浮充功能。
·逆變器（Ⅱ）：該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個(gè)：
　第一：同逆變器（Ⅰ）一起，完成對(duì)輸入輸出電壓差值的補(bǔ)償；
　第二：同逆變器（Ⅰ）一起完成對(duì)電池的充電和電壓浮充功能；
　第三：隨時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，對(duì)輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進(jìn)行補(bǔ)償，使其不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響；
　第四：當(dāng)市電掉電時(shí)，全部輸出功率由逆變器（Ⅱ）給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉(zhuǎn)換時(shí)間為零。
　

圖（五）是雙逆變電壓補(bǔ)償在線式UPS在各種情況下電流和功率傳輸示意圖（這里假定UPS效率為100%）

雙逆變電壓補(bǔ)償在線式的性能特點(diǎn)如下：
因?yàn)槟孀兤鳎á颍╇S時(shí)監(jiān)視控制輸出電壓，并通過(guò)逆變（Ⅰ）參與主回路電壓的調(diào)整，所以不管市電有無(wú)，都可以向負(fù)載提供高質(zhì)量的電源，例如輸出電壓穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度、輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、波形失真等指標(biāo)，都是比較高的。
市電掉電時(shí)，輸出電壓不受響應(yīng)，沒(méi)有轉(zhuǎn)換時(shí)間。并且，當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生畸變時(shí)，也由逆變器（Ⅱ）調(diào)整補(bǔ)償?shù)?，所以是典型的在線工作方式。
當(dāng)市電存在時(shí)，逆變器（Ⅰ）和（Ⅱ）只對(duì)輸入電壓與輸出電壓的差值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，逆變器承擔(dān)的最大功率（當(dāng)輸入電壓處于上限和下限時(shí)）僅為輸出功率的20%（相當(dāng)于輸入電壓變化范圍），所以功率強(qiáng)度很?。?/5），功率余量大，這就大大增強(qiáng)了UPS的輸出能力，與雙逆變?cè)诰€式相比，過(guò)載能力增強(qiáng)（200%,1分鐘），不再對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)予以限制，可從容地對(duì)付沖擊性負(fù)載，不再對(duì)負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行限制，輸出有功功率可以等于標(biāo)定的KVA值。
·逆變器（Ⅰ）同時(shí)完成了對(duì)輸入端的功率因數(shù)校正功能，使輸入功率因數(shù)等于1，輸入諧波電流降到3%以下。
在市電存在時(shí)，由于兩個(gè)逆變器承擔(dān)的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機(jī)效率在很大的功率范圍內(nèi)都可達(dá)到96%。
在市電存在的情況下（UPS連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的99%是有市電的），逆變器功率強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)值（逆變器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整機(jī)的壽命和可靠性必然大幅度提高。