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UPS电源
目录
1绪论1
1.1UPS电源产生的背景1
1.2UPS电源的现状2
1.3UPS电源发展的趋势3
1.4本课题主要研究内容3
2UPS电源的工作原理4
2.1传统UPS电源的工作原理4
2.2无逆变器UPS电源的工作原理4
2.3小结6
3无逆变器UPS电源的工作及运行方式7
3.1无逆变器UPS电源的工作方式7
3.1.1后备式工作模式7
3.1.2在线式工作模式7
3.1.3静态开关1和2之间的切换8
3.2无逆变器UPS电源的并联运行8
4无逆变器UPS电源的设计方案10
4.1采用两组蓄电池及单管半波整流充电的UPS电路10
4.2采用直流旁路的无逆变器UPS电路12
5取消逆变器带来的好处15
6结束语17
参考文献18
致谢19
1绪论
1.1UPS电源产生的背景
电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可缺少的组成部分，直流电源是一种应用极为广泛的一种电源，其特点是体积大、效率低、可靠性差、操作不方便、自我保护功能不够。
随着技术的发展，各种高精设备不断的涌现，这些设备往往要求不能断电，如通讯事业，银行金融管理、办公自动化、航空航天技术、计算机网络、以信息高速公路为代表的新兴信息产业，以确保数据管理，程序软件和图象信息处理安全、准确、连续可靠等，基于这些原因，不间断供电系统UPS（不间断电源，UninterruptiblePowerSupply一UPS）便迅速的发展起来，该电源的主要功能是当市电断电时，由UPS及时向用电设备提供电能，使用电设备在市电断电后，仍能不间断的工作一段时间，除此之外还有其它的许多功能[1]。
不间断电源也可称作不停电电源，它可以分成旋转型和静止型两大类，所谓旋转型是指由旋转发电机组成的系统，这是不停电电源的早期类型，如日本在1960年主要用这种电源，在此期间美国和英国也主要用这种类型，而我国只有少数计算机才使用。
而静止型UPS无旋转机组，由逆变器将蓄电池的直流电逆变成交流电，日本1970年以后，有一些50~300KVA的静止型UPS电源用于计算机供电，1971年用于计算机的静止型UPS电源有50台，1972年为70台。
早期的UPS电源的逆变器是使用可控硅元件作为换向部件，由于可控硅元件是一种没有自关断能力的器件，而逆变器的电源是直流电源，它不象交流电源那样有电压过零点随之变负的情况产生，因此对可控硅来说，若不采取措施，可控硅一旦被触发而导通，它就不能自动判断，要想关断它必须采取专门的措施，这些措施就是在电路中加入由电容、电感组成的换向元件，即使如此，在UPS电源中还经常发生换向失效等故障，特别是可控硅对电网抗电磁能力弱，这大大的影响了可控硅UPS型电源的稳定性，鉴于上述原因，目前可控硅型UPS电源已经被淘汰了[2]。
1.2UPS电源的现状
当前UPS电路的结构形式，是由上世纪70年代UPS开发的初期决定的。
那时的计算机采用的是以工频变压器为依托的线性电源，同时又由于交流电动机负载的存在，因此早期的UPS主要目的是保持工频交流不中断。
为了达到这个目的就必须进行逆变，于是逆变器就成了UPS中的核心部件。
UPS性能的改善和功能的提高，都集中表现在逆变器上，因此大家都围绕着逆变器大做文章，使逆变器成为UPS中电路最复杂，工艺最复杂，元器件用得最多，要求又最严格、设计制造最困难，体积最大、造价最高的部件，它占去了UPS整机成本、体积、重量和功耗的90％以上，成为UPS技术、功能和制造维护的难点集中地，当然也是UPS故障最多、可靠性最差的地方。
因此，对UPS革命自然而然地应从逆变器入手。
也就是说要取消逆变器，只有这样才是对UPS最彻底的革命。
但去掉逆变器在开关电源未普及之前决非易事，它有三大难点不能解决：
一是直流电压不能通过工频变压器向线性稳压电源输送电能，亦即不能实现不间断供电；二是大功率直流稳压困难，计算机的多种低压直流电源采用直流变压困难；三是市电与计算机的电隔离困难[3]。
高频开关电源的出现与广泛应用，为解决上述三大难点创造了条件。
高频开关电源萌芽于20世纪50年代，到20世纪70年代完成了20kHzPWM开关电源样机，被称作“20kHz革命”，是直流稳压电源发展史上的一个巨大飞跃。
到20世纪末高频开关电源技术已经非常成熟，并得到了广泛的应用，特别是在计算机电源中的应用，为UPS取消逆变器创造了条件，因为它解决了直流蓄电池电压的稳压、变压和市电与计算机之间的隔离问题[4]。
为了减小低压大电流时的线路压降，减小电源故障的影响范围，提高供电的可靠性，一般在小型计算机中都装有高频开关电源。
这些开关电源的具体线路可能不完全相同，但其基本结构与组成部分是大致一样的。
当前，ATX电源已取代早期的AT电源应用于计算机中，其原理电路如图1所示。
它主要是由抗干扰滤波、市电侧整流和平滑滤波3种电路组成的市电侧整流滤波电路，以及由高频逆变、高频变压隔离、高频整流、高频滤波及控制电路组成的DC/DC变换器两部分组成的。
输出的低压直流电压为±12V，±5V，33V，以供计算机内部电路使用。
一般高频开关电源允许输入电压的变化范围为交流工频165～275V，直流233.4～388.9V，输出电压精度为0.6％～1％。
从图1-1所示的原理框图可知，ATX开关电源所具有的3种功能对取消UPS中的逆变器是十分有用的：
一是可以输入工频交流电压，也可以输入233.4～388.9V直流电压，以保持直流输出电压基本不变；二是ATX中的DC/DC变换器具有直流稳压和变压的功能；三是高频变压隔离器中的变压器具有隔离作用。
这3种功能满足了计算机对UPS的要求，并实现了计算机输入电源的交直兼容，使计算机不再一定非要输入220V工频电压[6]。
图1-1计算机内ATX开关电源的原理框图
1.31UPS电源发展的趋势
随着科学技术与UPS电源的发展，目前专家深入对各种UPS电源的工作原理以及工作方式进行了总结，提出了关于UPS电源的新方案。
而逆变器是决定传统交流UPS电源性能和质量的核心部件，对UPS电源革命的目的就是去掉逆变器，以降低UPS的成本，提高效率，减小生产难度，减小体积重量、简化操作维护，减小故障率，提高可靠性。
因此，去掉逆变器的UPS电源将是一种比较好的新型方案[7]。
.4本课题主要研究内容
本论文从UPS电源的需求出发，给出无逆变器UPS电源的整体方案,该论文的重点是放在无逆变器UPS电源的方案设计上。
逆变器是决定传统交流UPS性能和质量的核心部件，对UPS革命的目的就是去掉逆变器，以降低UPS的成本。
对于无逆变器UPS电源的方案设计来说，主要是从UPS电源的电路图出发，实现无逆变器UPS电源的设计[8]。
2
UPS电源的工作原理
.1传统UPS电源的工作原理
UPS电源按输出波形可分为方波输出和正弦波输出两大类。
按其操作方式可分为后备式和在线式。
其中后备式UPS电源，在市电正常供电时，由市电直接向负载提供电源。
当市电供电中断，蓄电池才对逆变器供电，并由UPS的逆变器对负载提供交流电源，即UPS电源的逆变器总是处于对负载提供后备供电状态。
而对在线式的UPS电源来说，它平时是由交流电→整流→逆变器方式对负载提供交流电源，一旦市电中断时，UPS改由蓄电池→逆变器方式对负载提供电源。
只有当蓄电池放电至终了电压时，由控制电路发出信号去控制自动切换开关，转换成由另一路交流旁路的市电供电。
市电恢复供电后，UPS又重新切换到由逆变器对负载提供电源。
因此，在线式UPS电源，在正常情况下，总是由UPS电源的逆变器对负载供电。
显然，它的供电质量明显优于后备式UPS电源，但都必须有逆变器的参与[11]。
.2无逆变器UPS电源的工作原理
一台单相交流UPS向一台计算机供电的原理电路如图2-1所示，图2-1中的左侧虚线框内所示的电路为传统交流UPS，它包括整流器、蓄电池和逆变器；图2-1中的右侧虚线框内所示的电路，为计算机中的ATX开关电源，它包括抗干扰电路、市电侧整流滤波电路和DC/DC变换电路。
在图2-1左侧的传统交流UPS电路中，市电220V交流电压经过无任何升、降压功能的桥式整流器，整流成＋300V向蓄电池进行浮充电，蓄电池上的＋300V直流电压再经过逆变器逆变成220V工频交流电压向计算机供电。
在图2-1右侧的计算机ATX开关电源中，市电侧整流滤波电路再将220V工频交流电压整流成＋300V直流电压，而后再由ATX中的DC/DC变换器将＋300V直流电压变换成±12V，±5V和3.3V的直流电压向计算机供电。
由图2-1可以看出，左侧UPS中的整流器输出的直流电压，与右侧ATX中市电侧整流滤波电路的输出电压都是＋300V，是相同的。
这就说明逆变器将蓄电池电压＋300V再逆变成220V工频是多余的。
因此可以将UPS中的逆变器去掉，并直接将蓄电池的＋300V直流电压，通过计算机中ATX的市电侧整流滤波电路向计算机供电，如图2-2所示。
要作到这一点，UPS中的整流器必须采用直接整流的方式，而不能带任何的升降压功能。
图2-1单相交流UPS电源向一台计算机供电的原理电路框图
图2-2ATX中的市电侧整流滤波电路可以通过±300V直流电压的示意图
将图2-1所示的供电电路去掉逆变器以后就变成如图2-3所示的无逆变器UPS向计算机供电的电路，此时无逆变器UPS相当于一个具有交流旁路的直流UPS。
此时UPS的工作方式是由市电、整流器与蓄电池组成的直流UPS通过静态开关2向计算机不间断供电，当直流UPS需要检修或出现故障时，由市电通过旁路开关（静态开关1）向计算机供电[10]。
比较图2-1和图2-3可知，去掉逆变器以后使UPS电路得到了很大的简化，仅剩下了整流器、蓄电池及静态开关，这时静态开关2变成了只用一个SCR的直流开关。
由图2-3左侧所示的单相无逆变器UPS电路组成的三相无逆变器UPS电路如图2-4所示，其工作原理与工作方式与图2-3所示单相电路相同。
图2-3无逆变器UPS向计算机供电的原理框图
图2-4三相无逆变器UPS电源的原理电路
2.3小结
传统UPS电源为了实现供电的不间断，必须通过逆变器变换电压，显然浪费了太多的能源、资源和人力。
相对于传统的UPS电源，无逆变器UPS不包括逆变器，对用户设备实现了直流供电，具有效率高，节能显著，体积小，节约资源，对用户设备无谐波干扰，对市电侧亦无谐波污染，是一种真正意义上的环保绿色UPS电源。
无逆变器UPS电源的工作及运行方式
3.11无逆变器UPS电源的工作方式
无逆变器UPS电源的工作模式有两种：
一种是后备式工作模式，另一种是在线式工作模式。
3.1.1后备式工作模式
单相无逆变器UPS电源向计算机供电的原理电路如图2-3所示。
当工作在后备模式时，在市电中断或在恢复过程中，作为后备式UPS负载中的ATX开关电源，其市电侧整流滤波电路的输出电压uR及电流iR的波形如图3-1所示。
图3-1中t1之前由市电供电；t1时刻市电断电；t1～t2期间ATX开关电源内部的储能电容放电以维护计算机的工作；t2时刻由UPS中的蓄电池供电；t3时刻市电恢复[13]。
图3-1后备工作模式时，ATX开关电源中市电侧整流器的输出电压和电流uR、iR的波形
3.1.在线式工作模式
如图2-3所示，对于在线工作模式，在UPS电源处于市电旁路供电状态时（如检修整流器或蓄电池时），以及之后又恢复直流供电时，作为在线式UPS负载的ATX开关电源，其市电侧整流滤波电路输出端的电压uR及电流iR的波形如图3-2所示。
图3-2中t1之前由在线式UPS直流供电；t1时刻转入市电旁路供电；t1～t2期间由市电旁路供电；t2～t3期间由ATX开关电源内部储能电容放电维持计算机工作，UPS中的蓄电池没有直流电流输出，t3时刻UPS恢复直流供电[15]。
图3-2在线工作模式时，ATX开关电源中市电侧整流器的输出电压和电流uR、iR的波形
3.1.静态开关1和2之间的切换
（1）由市电旁路供电到蓄电池直流供电的切换
当市电掉电时，随着静态开关1（旁路）关断的同时，关断静态开关1的触发脉冲，并对静态开关2进行触发，使其被触发导通。
（2）由直流供电到市电交流旁路供电的切换
如图3-3所示，首先关断静态开关2的触发脉冲，当市电电压正半周到来的瞬间，将静态开关1（旁路）触发导通，用市电电压正半周的峰值（311V）大于蓄电池电压（＋300V）的值来关断静态开关2。
图3-3用市电正半周电压峰值关断静态开关2的示意图
3.21无逆变器UPS电源的并联运行
直流电压的并联，或在同一个市电电源下的交流并联，是比较容易的。
两台单相无逆变器UPS电源的并联工作的原理电路如图3-4所示。
假定它们工作在在线模式，静态开关1（旁路）处于关断状态。
当两组蓄电池的电压UB1和UB2相同时，即UB1=UB2时，两台UPS并联后它们将共同平均分配同一个负载。
如果两组蓄电池被充的电压不相同时，例如UB2如果UB2的充电电流小于负载电流时，则UB1蓄电池组将放电以补充不足的电流，UB1将下降，而此时UB2会因不断地被充电使UB2上升，当UB2被充到UB2=UB1时，静态开关2导通，自动转入到两台UPS共同分担同一个负载电流的状态。
并在向负载供电的同时，同步完成对各自蓄电池组的充电过程。
图3-4多台无逆变器UPS的并联运行原理图
如果市电电源中断，则这些并联的UPS不论其蓄电池容量大小，充电的程度如何，仍然可以自动地同步到放电终了的状态。
无逆变器UPS能够具有如此良好的并联特性，主要得益于如下3点：
（1）不存在频率、相位不一致的问题；
（2）极佳的电流峰值，易于实现不同容量、不同充电程度的无逆变器UPS进行并联，对负载具有极好的适应能力；
（3）静态开关2中的晶闸管杜绝了“环流”现象的发生，即不会出现电压高、容量大的UPS向电压低、容量小的UPS馈电。
无逆变器UPS电源的设计方案
逆变器是决定传统交流UPS性能和质量的核心部件，对UPS革命的目的就是去掉逆变器，以降低UPS的成本，提高效率，减小生产难度，减小体积重量、简化操作维护，减小故障率，提高可靠性。
因此，去掉逆变器的无逆变器UPS将是一种比较好的新型UPS方案。
4.1采用两组蓄电池及单管半波整流充电的UPS电路
采用两组蓄电池及单管半波整流充电的无逆变器UPS的电路，如图4-1及图4-2所示。
其中图4-1是单相电路，图4-2是三相电路，它们的工作原理和工作方式与图2-3和图2-4相同。
这种无逆变器UPS的特点，一是采用了两组蓄电池及单管半波整流充电，二是有两组输出，每组对应于一组蓄电池。
两组输出A和B既可以单独使用，也可以同时使用。
同时使用时就将单管半波整流，变成了单管全波整流，有利于提高市电输入功率因数。
图4-1采用两组蓄电池及单管半波整流充电的单相无逆变器UPS电路
图4-2采用两组蓄电池及单管半波整流充电的三相无逆变器UPS电路
.2采用直流旁路的无逆变器UPS电路
采用直流旁路的无逆变器UPS的电路，如4-3和图4-4所示。
其中图4-3是单相电路，图4-3是三相电路。
它们的工作原理和工作方式与图2-3和图2-4相同。
这种UPS的特点是采用了直流旁路。
旁路的直流电压为＋300V，蓄电池的直流电压为＋252V。
当由蓄电池供电切换到直流旁路供电时，先关断静态开关2的触发脉冲，然后再触发导通静态开关1，用旁路开关的直流电压大于蓄电池的直流电压使静态开关2关闭，如图4-5所示。
这样将使切换控制电路更简单，省去了市电电压正半周的检测电路。
图4-3采用直流旁路的单相无逆变器UPS电路
图4-4采用直流旁路的三相无逆变器UPS电路
图4-5用旁路开关关闭静态开关2的原理示意图
多台采用直流旁路无逆变器UPS的并联运行原理和工作过程与图3-4所示多台无逆变器UPS的并联运行相同。
其原理电路如图4-6所示，直流旁路的并联和直流UPS的并联，都变得极其简单和容易，两台UPS之间由于静态开关1和静态开关2的存在，而不会出现环流。
图4-6多台采用直流旁路无逆变器UPS的并联运行原理框图
取消逆变器带来的好处
传统UPS电源，取消逆变器以后将会带来如下几个方面的好处：
（1）简化了电路，提高了可靠性
取消逆变器后，与之配套的相关电路也被取消了；输出电压频率、相位的检测和控制电路被取消了；为实现多机并联而采用的各种监控电路和锁相电路被取消了；隔离变压器被取消了。
（2）降低了生产成本和研究费用
逆变器是UPS电源中应用元器件最多，对元器件要求最严，电路最复杂，调试最困难的部件，取消逆变器以后将使UPS的生产成本得以减少。
（3）运行成本大大减少
假设逆变器及其相关电路的功耗占UPS输出功率的10％，以100kVA在线式交流UPS连续24小时开机工作作为计算交流UPS等效使用量的计算单位，按照表1估算，全国在线式交流UPS的等效使用量为1843个如表5-1所列，据此计算全国每年用于交流UPS中逆变器的总功耗为
100kVA×1843×10％×24h×365天=1.61×108kW·h
按工业用电每kW·h为0.662元计算，则
0.662×1.61×108=1.07亿元
这一估算表明，全国每年至少要拿出1亿多元用在在线式交流UPS电源中的逆变器功耗上。
如果再考虑到逆变器功耗转化成热量，为了降温还要付出空调与风机的用电费以及这些降温设备的折旧费和维护费，实际用去的费用还要多。
表5-1全国在线式交流UPS的使用量
城市类别
城市数量
100kVA等效交流UPS量
小计
超大城市（200万以上人口）
11
15
165
特大城市（100～200万人口）
23
8
184
大城市（50～100万人口）
44
4
176
中等城市（20～50万人口）
159
2
318
小城市（20万以下人口）
393
不计在内
不计在内
县及县级市（估计）
2500
0.2
500
国家各部门（估计）
不计在内
500
500
此外，蓄电池的备用时间，也会因逆变器的功耗而减少。
（4）低污染
UPS最大的电污染源是逆变器，它工作在高压大功率高频开关状态，取消了逆变器将使UPS的污染减小到最低。
（5）提高了经济效益与社会效益
降低了生产成本和维护成本，减少了故障率，减少了体积重量，减少了功耗，使一般中小型工厂都能制造，一般中小型用户都能买得起，使UPS能更进一步推广应用，同时也节省了能源与原材料，因此具有较大的经济效益与社会效益。
结束语
参考文献
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