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UPS的基本原理及其在HFC网络中的应用<1>

2/14/2005来源:通信电源人气:10073

UPS的基本原理及其在HFC网络中的应用<1>(王晓军) 1UPS的定义、产生及特点 UPS(Uninterruptible PowerSuPPly)的全称是不间断电源系统,顾名思义,UPS是一种能 为负载提供连续的不间断电能供应的供电系统。它的产生完全是当今社会计算机技术、信息技 术及其相关产业飞速发展的必然结果。随着计算机在各行各业的广泛应用,越来越多的重要数 据、图象、文字要由微机来处理和存贮,如果在工作中间突然停电,微机中随机存贮器中的数 据和程序就会丢失或损坏,更严重的是,如果此时计算机的读写磁头正在工作的话,极易造成 磁头或磁盘的损坏。假如这些数据是在银行清算系统或是证券交易等系统中丢失的话,后果更 不堪设想。同时,电网中的一些强脉冲尖峰、高能浪涌等干扰也会引起计算机的误操作而带来 不必要的损失。另外,计算机内部的滤波电容放电只能维持计算机工作8~10ms的时间,如果超 过这个时间,机器就进入自检重启状态。为了避免出现这些情况,必须设计一种电源系统,它 能在停电后10ms以内恢复对负载的供电,这就是近年来出现并被广泛使用的UPS电源系统。 UPS电源有以下几个显著特点: (1)UPS输出电源可靠性高。由于 UPS电源为负载提供了主备两套供电系统,而且备用电 流和主电流通过静止开关切换,由于切换时间极短、主备电源始终保持锁相同步,故停电时, 从负载例看来,电源没有丝毫的中断。这就为负载连续可靠运行提供了强有力的保障。 (2)高质量电源供应。由于采用了电脑控制的电子负反馈电路,UPS的输出电压稳定度高, 达上0.5~±2%,同时又由于 UPS采用了石英晶体振荡控制逆变器的频率,故输出频率稳定: ±0.01~±0.5%;电压失真度小(电压畸变小于1%,不存在潜波失真的问题)。 (3)效率高、损耗低。由于 UPS中的逆变器采用了PWM技术,因此它就具有开关电源的一 系列优点,通过精确调整脉冲宽度,保证功率稳定输出,同时,开关管在截止期间没有电流流 过,故自身损耗小,其供电效率可达90%以上。 (4)故障率低、维护容易。由于微处理器监控技术和先进的IGBT驱动型SPWM等高技术的采 用,目前的UPS已达到了极高的可靠性水平,对于大型UPS电源来讲,其单机的年均无故障工作 时间(MTBF)超过20万小时已不成问题。如果采用双总线输出的多机“冗余”型UPS供电系统, 其MTBF甚至可达100万小时数量级。 2 UPS电源的分类 目前,针对用户的不同层次等级的负载用电要求,市场上已有四种类型的 UPS电源品种。 2.1在线式(on-line)UPS供电系统 其单机功率:0.7kVA~1500kVA。该系统的主备供电通路都是通过逆变器向负载供电的,由 于市电经过了完善的滤波及逆变转换,所以它能为负载提供高质量的、纯净的正弦波电源。并 且它的抗雷击能力也是一流的。 2.2准在线式UPS 单机功率0.7kVA~20kVA。这种UPS的逆变器只有当市电电压低于150V或高于264V时才投入 工作,向负载提供高质量的正弦波电源;而当电压在150~264V之间时,逆变器停止工作,UPS 向用户负载提供经铁磁谐振稳压器或经变压器抽头调压处理的一般市电电源。 2.3后备(off-line)正弦波输出式UPS电源 单机输出功率:0.25kVA~2kVA左右。当市电在170~264V范围内时,它向负载提供经变压 器抽头调压处理过的一般市电电源,仅当市电电源的电压低于170V或高于264V时,逆变器才工 作,蓄电池贮存的直流电逆变为正弦交流电向负载输出。 2.4后备(off-line)方波输出式UPS电源 其单机输出功率:0.25kVA~1kVA。该种机型与后备正弦波机型的不同之处在于当市电电 压低于165V或高于270V时向负载提供的是具有稳压特性的50Hz方波电源。该机在方波输出时, 适宜接阻害性负载,如果接感性负载的话,会烧毁UPS的逆变器或对负载产生损坏。 综上所述,在线式UPS输出电源质量最高,适宜各种负载类型,但价格最贵;后备方波输 出式UPS的性能最差,但价格最便宜。 3 UPS的基本原理 从上述的几种UPS电源来看,在线式UPS的性能最佳,其电路设计也是最完善和最复杂的。 下面就以目前应用较多的微电脑控制的小型在线式UPS电源为例对UPS的典型工作原理作一介绍。 工作过程如下:市电电源先经过输入滤波器,将市电中的高频电磁干扰、射频干扰、尖峰 脉冲等干扰进行吸收、抑制处理,然后分成四路进入下面不同的处理部分:(1)送到具有 “功率团数校正功能”的整流器输人端进行整流处理。(2)进入 UPS锁相同步电路,提取同 步信号以便逆变器在市电停电时将蓄电池组产生的直流电进行瞬时同步逆变,保证负载侧供 电的同步连续性。(3)经充电器对UPS所配置的蓄电池组进行“浮充”式充电,以便市电中 断时向逆变器提供充足的逆变能源。脏:其浮充电压应为电池组标称端电压的1.125倍)。 (4)直接经交流旁路供电通道馈送到切换开关的常闭触点上。这样设计的目的是为了在当逆 变器或微处理器发生故障时直接由市电向负载供电避免负载供电中断,同时,启动蜂鸣器报 警,提示值班人员采取措施。这也是UPS高可靠性的一个体现。 整流器将输入的无干扰市电整流为幅值稳定的直流高压电源送到逆变器的直流总线输入 端,当市电正常时,在微处理器的控制下,整流输出电压高于DC/DC输出的直流电压,二极 管D截止,蓄电池不向逆变器提供逆变电源。 逆变器在微处理器提供的正弦脉宽调制脉冲的控制下,将整流器输出的高压直流电逆变 成标准的50Hz的正弦波电源。当市电中断时或市电过高过低时在微处理器的控制下DC/DC直 流变换器立即投入运行,将蓄电池的相对较低的直流电压提升到完全符合逆变器输入所要求 的电压水平,经逆变器向负载输出电源。 为了保证市电中断时,UPS机内的控制电路继续工作,控制电路所需的直流电压不是取自 市电输入端,而是由蓄电池组的直流电源经DC/DC变换得到的。 “同步镇相电路”除了实现主备电源的同步切换外,还能使逆变器输出的电压频率保持 在所要求的误差范围内(即同步窗口)。当市电频率超过这个范围时,逆变器电源不再跟踪 市电电源,而同步于本机石英晶体振荡频率50Hz±0.5%,从而确保逆变器输出电压频率稳定 在同步窗口之内。 “输入功率因数校正电路”的作用是使进入整流器的输入电流和电压保持良好的相位一 致的关系,提高输入功率因数,同时也就提高了对市电的利用率。 “自动保护电路”具有两种主要的保护功能,一是逆变器输出过载或短路的自动保护, 它可以有效地防止逆变器中的IGBT等大功率开关元件在负载短路时被烧毁。二是电池电压过 低自动保护。UPS在市电中断或不正常时将会把蓄电池组的能量立即提供给逆变器,随着蓄 电池放电时间的延长,电池所存贮的能量逐渐释放出来,电池的电压也随之降低,当下降到 阈值电平时,为防止电池组因过度放电而损坏,保护电路会立即停止逆变器的工作,中断电 池组的放电过程。 “逆变器输出电压负反馈电路”。在逆变器输出电路中,通过建立“逆变器输出→微处 理器→逆变器PWM调节→逆变器输出”这样一个电子负反馈闭环控制回路,可确保 UPS向负 载提供(≤±2%的高精度稳压电源。 此外,UPS还备有报警及面板状态显示功能。 UPS的工作过程中电源的变换顺序是220V交流市电光变为直流电,通过逆变器再将直流 电变换为交流电。通过这样的变换过程,UPS向负载提供的电源具有如下显著的特点:(1) 稳压精度高;(2)频率稳定度高;(3)谐波少;(4)波形失真小。