UPS不间断电源项目设计方案

UPS不间断电源项目
设计方案
第一章概述
自从电子设备特别是计算机问世以来，电源问题一直是人们十分关心的问题。

对于一些特殊位置的重要设备，人们不但关心其供电电源本身的性能指标，更注重供电电源的质量，即供电的稳定性和不间断性。

因为这些设备的电源一旦出现不稳定或者消失，就将造成非常大的损失，甚至无可挽回的损失。

所幸的是不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)的出现，为解决这个问题提供了广阔的前景。

1.1 UPS的发展
1.1.1 UPS的发展历程
最初的UPS是本世纪六十年代初由旋转电动机供应能量的动态UPS，即不间断是靠动能维持。

这种早期UPS的输出稳定是靠惯性飞轮对短时间电压突变和干扰无反应；不间断性是靠断电后飞轮的惯性延长供电时间。

当然这种UPS的后备时间是很短的(一般不超过5秒)，于是人们开始使用备用蓄电池组，这是早期UPS的典型结构，框图如图1-1所示。

这样的UPS虽然可以靠增大蓄电池容量来延长后备时间，但转换效率低，于是出现了内燃式UPS系统，这种UPS靠内燃机提供断电后的能量。

动态UPS设备庞大笨重、操作不够灵活、而且效率低、噪声大。

图1-1 早期UPS典型框图
随着电力电子学(功率电子学)的发展，为实现大功率的电能转换，于是出现了静态UPS，它的主电路和控制电路均采用半导体器件，它也是目前绝大多数概念中的UPS，其典型框图如图1-2所示。

其基本原理是：市电输入经整流器将交流电变成直流电，一方面给蓄电池组充电，另一方面为逆变器提供能量，再将直流电变成交流电经转换开关送到负载；当逆变器发生故障时，另一路备用电源(旁路电源)经过转换开关实现向负载供电。

图1-2 静态UPS典型框图
静态UPS的工作方式有在线式和后备式(Online and Offline)，两者主体结构大体相同，只是后者在市电正常时工作在旁路(Bypass)，而前者只有当逆变器故障或过载时才由旁路电源供电。

一般来说，从性能上讲，在线式优于后备式;从容量上讲，后备式一般不大于3KVA，而在线式不受此限制，目前单机容量可以做到600KVA以上，比如M.G, EXIDE, SOCOMEC 等公司。

UPS的装机容量正不断扩大，并联成为扩大容量或者冗余系统的必然方法。

比如M.G, EXIDE等公司的UPS机内信号用微机处理、通讯采用普通信号，而SIEL公司采用光纤通讯〔OSC系统)，从而实现多台UPS的同相同幅、均负载的功能。

由于单相进单相出给市电配电带来极大困难，于是出现了三相入单相出(3/1)的UPS，其最大容量可达60KVA以上，这种单相输出的UPS在切换到旁路时、满负载情况下市电对应的一相将严重超载，因此厂家推出了三相入三相出的UPS产品，而且有三相负载100%不平衡产品，如IPM, SOCOMEC,
BORRI, MEISSNER, SAVIN,VICTRON等公司的UPS产品。

为改善后备式UPS的供电质量，人们研制了净化UPS，即将净化电源加在旁路电源上，如国产宝合UPS产品。

结合后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，人们提出了三端口UPS。

它使得离线式和在线式有机结合在一起，产品如APC、BEST、DELTEC、休康等。

近期又出现了不间断蓄电池系统UBS(Uninterrupted Battery System)，见图1-3所示。

它结合了动态UPS和静态UPS的优点，只是噪声稍大，主要应用于特殊场合，如野外、地下室等环境恶劣的场所。

图1-3 UPS典型框图
1.1.2 UPS的发展前景
从以上UPS的发展历程可看出，UPS从当初单一的动态存储式到今天多类型多品种动态、静态、动静结合、在线式、后备式(离线式)、后备在线交叉式等。

随之，UPS的应用领域也从当初单一的计算机用户发展到今天计算机系统、网络系统在内的能源(如电力)、医药、农林、交通、天文、地理、通讯系统(如网络通讯)等领域；后备时间从当初的几秒钟到今天的几小时、几十小时甚至更常的时间；特别是从技术内含意义上讲，从当初单一的机械式到今天包罗了当代全部的电子技术:从微电子学到功率电子学，从线性电路到数字电路，从计算机硬件到软件，从电信号通讯到光纤通讯以及机电一体化技术。

随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，电源技术的高频化、模块化、数字化、绿色化成为发展趋势，UPS不间断电源也不例外。

电力电子功率器件的高频化和模块化使得UPS电源产品的体积和重量大大减小，而可靠性和效率得以提高，可带来显著节能、降耗的可观经济效益。

微处理器软硬件的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。

从而为UPS电源产品的数字化、智能化提供了坚实的基础。

随着人们对环境保护意识的加强，电源系统的绿色化概念被提出。

所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能(或少)对电网产生污染。

事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源：向电网注入严重的谐波电流，使得总的功率因素下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。

20世纪末各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了功率因数校正PFC（Power Factor Corrector)方法，为21世纪UPS电源产品的绿色化奠定了基础。

由此可看出，UPS已当之无魄成为当代高科技成员，而且正随着电力电子技术、计算机技术、网络技术等相关技术的发展而不断发展。

1.2 本课题研究的目的和意义
早期的UPS产品因电子技术及相关技术、工艺水平等方面的限制，备用时间短，智能性差，所以主要作为计算机的备用电源，其它行业涉及较少，因而普及率很低。

但是，随着微型计算机应用的日益普及和信息处理技术的不断发展，人们对供电的质量要求越来越高。

这是因为在微型计算机特别是企、事业单位的计算机网络运行期间供电的中断，将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏，有时甚至会使磁盘盘面及磁头遭到损坏，造成难以弥补的损失。

不但如此，随着国民经济的发展，生产力水平的提高各行各业的许多关键设备对电源的要求也是如此。

于是高性能、高可靠性UPS越来越受到人们的关注。

从国防、航天、科研到医疗卫生、工农业生产、交通运输，从银行证券到商贸销售，从通讯行业直至以信息高速公路为代表的新兴信息产业(IT)，无不用到UPS不间断电源。

而且，随着电子技术的发展，特别是计算机技术及计算机网络技术的发展，人们对UPS的要求越来越高：不但要求供电质量高，而且要求智能化，这也是科学技术发展的必然趋势。

人们希望将现代电子技术、信息技术、控制技术、计算机网络技术等UPS相关技术应用于UPS不间断电源，使UPS电源供电系统变得越来越完善，对各种性质的负载适应性更强，产品
种类更齐全。

实际上，UPS经过近四十年的发展至今，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。

PWM(脉宽调制)技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等己被UPS普遍采用，从而降低了UPS的可闻噪声，提高了效率和可靠性。

特别是自80年代以来，微处理器技术、计算机技术、网络工程的迅猛发展，并引入UPS领域，大大拓宽了UPS的功能。

显示方式从数码显示到液晶显示，使得人机“对话”更加方便。

利用CPU的强大处理功能，可做到自动诊断、自动开关机、自动打印运行记录，起到监控、管理系统的作用。

随着UPS在计算机网络中的应用不断发展，UPS不再是单纯供电、仅仅保护服务器，而是强调以整个网络为保护对象。

用户希望UPS保护的对象不再是特定的运算设备为主，而是让网络在电源出现异常时，仍然可以继续工作而不中断。

因此，UPS监控防护软件是UPS 的新发展，这种软硬件的新搭配有助于大幅度提高UPS的功能，使其趋向人性化；同时大大拓宽了UPS在计算机及网络中的应用。

智能UPS就是在这种形势要求下发展起来的。

所谓智能UPS就是将传统UPS通过与PC上位机相连的硬件接口，结合特殊设计的软件(称为监控软件)以提供电源和资料的双重保护。

因此监控软件是UPS智能化的关键部分。

目前UPS各大厂家都将UPS的监控软件作为产品竟争力的一个重要筹码。

UPS不间断电源本身是集数字与模拟技术、数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。

另外，随着微处理器和计算机应用的普及，将其引入UPS系统，研制智能UPS是UPS发展的必然趋势。

UPS的发展，并由此推动与之相关技术的发展，这也是我选择本课题的初衷之一。

1.3 本课题的任务和要求
1.3.1 本课题的任务
本课题的任务是研究设计出新一代微机控制的可应用于网络的20KVA
的智能UPS系统。

UPS主电源包括整流/充电器、逆变器、旁路电源(静态旁路电源和维修旁路电源)三大部分组成。

1.3.2 本课题的要求
1. UPS输入设计要求:
(1)输入电压:380V±10%(三相四线制)，频率50HZ±15%；
(2)输入容量能同时满足蓄电池均充和逆变器满载运行要求；
(3)功率因>0.8.
2. UPS输出设计要求
(1)三相输出电压380V±2%,输出频率50±0.5%，并在一定范围内可调（电压正负5%，频率正负2HZ)；
(2)输出功率大于额定功率（20KVA）；
(3)过载能力125%--150%；
(4)谐波失真度<7%。

3. 其他设计要求
(1)总效>0.75，总功率因数>0.8；
(2)软启动功能；
(3)逆变器与后备静态旁路锁相同步，两者切换时间≤100us；
(4)具有功能指示和故障报警功能；
(5)具有自保护功能；
(6)具有RS232通讯接口，可远程监控、管理；
第二章系统整体设计方案
UPS不间断电源装置不间断供电的含义就是指当交流输入电源（市电）发生异常或断电时，电源装置能继续向负载供电，而且能保证供电质量，使负载供电不受影响。

实现此目的的交流不间断UPS电源的基本组成如图2-1所示:
图2-1 UPS基本组成框图
在此基本组成电路中，当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。

如果深入地扩展分析，要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS 电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。

下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。

2.1 UPS电源不间断供电的原理
2.1.1 负载间断供电的原因
造成负载间断供电的原因有很多，概括起来，主要有:
1）交流输入电源（市电）突然发生停电。

造成这种突然停电的原因较多，如：用户发生故障或事故，造成电源跳闸；雷击造成短路而跳闸，或者由于雷击引起输电线断裂；鸟害引起断裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。

2）交流输入电源发生瞬间停电。

3）电源装置发生故障而中断供电。

因此，解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。

2.1.2 不间断供电的原理
从UPS基本组成原理图2-1可看出，
(1)在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量；一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常工作。

当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。

(2)当逆变器发生故障时，很明显，图2-1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。

解决的办法有两个：一是提供逆变器的备用单元；二是提供静态旁路辅助电源。

具体来说:
a.如果有逆变器的冗余备用单元，当逆变器故障时，通过快速开关立即切换至备用单元，保证负载的不间断供电，这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电；
b.如果有静态旁路辅助电源(或称静态旁路电源)，当逆变器故障时，通过静态开关迅速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到的是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但保证了负载不间断供电。

一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。

(3)如果市电交流输入不正常的同时，逆变器又发生故障，这时要保证负载的不间断供电，可采用既有逆变器备用单元，又有静态旁路电源的设计方案。

当交流输入恢复正常或者逆变器故障排除，通过静态旁路电源向负载供电(如果市电输入正常的话)；或者通过逆变器向负载供电(如果逆变器故障排除的话)。

这种方案可保证负载的供电不间断。

(4)电源装置根据实际情况需要定期检修，这时必须断开逆变器和静态旁路，但仍然要保证负载供电的不间断，这时可采用增加维修旁路电源的方案。

当电源装置维修时，通过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此
电源取自市电；一旦维修完毕，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。

综上所述，不间断供电的原理实质就是从电源装置的组成结构上考虑如何实现负载的不间断供电:采用冗余结构或者其他可靠性设计方案。

本课题根据1.3的设计要求和技术指标，从不间断供电的原理出发，提出下面的整体设计方案。

2.2 系统整体设计原理框图
UPS不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电，一方面为备用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。

设计的基本点有两个：一是UPS输出的稳定性，即输出电压和频率都必须保持稳定(在一定的额定精度内)；二是UPS输出的不间断性，即要能实现不间断供电。

整个设计紧紧围绕这两个要点进行的：
(1)蓄电池(包括充电器)是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源；
(2)逆变器是UPS输出稳压稳频的交流电的核心组成，也是整个UPS核心，采用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断；
(3)旁路辅助电源(包括维修旁路电源和静态旁路电源)是为维修、检修UPS，或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。

根据以上所述，提出如下设计原理框图(图2-2)：
图2-2 系统整体设计原理框图
下面以此原理框图从整流器/充电器、逆变器、旁路辅助电源三方面分析本设计方案。

2.3 整流/充电器设计方案
本设计中整流器和充电器合二为一，这主要是从功率大这个因素考虑的。

为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性、降低了造价。

控制电路采用16位INTEL96系列的80C196单片机，控制简洁、方便、可靠。

主回路电路示意图见图2-3所示。

如图2-3所示，三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C 滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。

微机(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。

图2-3 整流/充电器设计方案
2.4 逆变器设计方案
逆变器的功率单元采用IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变控制系统设计采用冗余设计方案：两套由INTEL公司生产的16位微处理器80C196MC
组成的控制系统1#和控制系统2# (两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。

如图2-4所示，逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统SPWM控制方式下产生SPWM脉冲波输出，
再经特殊设计的隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。

其中K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。

图2-4 逆变器设计方案
2.5 旁路电源设计方案
旁路电源是UPS不间断电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。

静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。

因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此可实现负载的不间断供电。

维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。

旁路电源一般取自市电电网。

本UPS旁路系统设计方案如图2-5所示，图中只画出了一相的电路示意图。

图2-5 UPS旁路电源设计方案
第三章整流/充电器的设计
整流/充电器在UPS交流不间断电源装置中的作用主要有两个：一是将交流电整流为直流电，经滤波供给逆变器；二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。

整流器电路形式有很多，典型整流电路有：三相或单相桥式不可控整流电路、三相或单相桥式半控整流电路、三相或单相桥式全控整流电路、带平衡电抗器的12脉波整流电路等。

大功率UPS不间断电源的整流/充电电路一般选用可控整流电路，这是基于整流器和充电器合为一体的设计考虑。

具体来说：
(1)通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源。

但是由于种种因素的影响，比如市电电压变化频繁，有时低于380V(三相交流电输入)，甚至低达340V；有时高于380V，甚至高达420V等等，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定。

只有采用可控整流电路，同时采用必要的负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的直流输出电压的稳定。

(2)蓄电池充电电压必须能够调节。

不可控整流电路不能提供蓄电池通常状态下的浮充电压和过放电以后的均充电压(均衡充电电压)两种不
同大小的电压。

因此采用可控整流电路比较好。

在可控整流电路中，典型应用电路是三相桥式全控整流电路。

3.1 整流/充电器主回路设计
本设计中的整流/充电电路采用常见的三相桥式全控整流电路。

其电路的基本原理这里不再详细说明。

原理电路如下，图中KPl～6为晶闸管。

图3-1 三相桥式全控整流电路原理图
3.1.1 整流变压器的设计
由前面所述可知，三相电网电压经空气开关和快速熔断器后，接在一星形/三角形接法的变压器的原边。

此变压器属整流变压器，不同于一般的电力变压器。

1.整流变压器在此设计中的作用
整流变压器在设计中的作用有三：
(1)它可扩大整流电路中晶闸管控制角的调节范围，提高调节性能。

(2)起隔离作用。

它使整流电路与电网电源隔离开来，使它们之间不发生电的直接联系，这样可减轻电网对整流/充电电路的干扰和影响，同时也减少了整流/充电电路对电网上其他用电设备的干扰。

(3)降压作用。

整流变压器将电网电压变换成与负载相匹配的电压，这有助于提高晶闸管整流器的性能。

一般清况下，整流器的副边次级电压低于原边初级电压，因此这里的整流变压器属降压变压器。

它的接线方式要与同步变压器接线相配合，以满足主回路电路与同步电压之间的相位关系。

2.整流变压器在设计上与一般电力变压器的区别
整流变压器在设计上不同于一般的电力变压器：
(1)接线方式上有严格要求。

初级和次级绕组中要有一个接成三角形，一般以初级绕组接成三角形的居多，这样可避免供电电压波形的畸变；也可避免负载发生不平衡时出现中心点浮动。

在三相四线制接法的输入中，整流变压器只有接成星形/三角形。

本设计中就属这种情况。

(2)要求具有较高的绝缘强度。

这是因为晶闸管整流电路发生过电压的机会比较多。

(3)要求适当增大变压器的导线截面积，这是因为晶闸管整流电路较易发生短路而产生过电流。

基于(2)(3)的原因，使得整流变压器的体积比同等容量的电力变压器体积要大。

3.容量和变比设计
根据本设计中UPS的功率(20KVA)整流变压器的容量可选1.5倍UPS额定功率即30KVA，变比要根据蓄电池的电压而定。

3.1.2 直流滤波电抗器和滤波电解电容的设计
在图3-1中，P1、N1两端的整流输出为脉动的直流电压，在这种直流电压中还含有较多的交流成分，它不利于逆变器的工作和蓄电池的充电，所以不能直接送往逆变器和为蓄电池充电，必须经过滤波。

1.滤波电抗器L
L的作用可归结为以下三个方面：
(1)平波作用。

整流电压里含有对逆变器和蓄电池不利的交流成分，利用电抗器既能储存能量又能放出能量的特点，在电路中接入电抗器L减小整流电压脉动程度，起到平波作用。

(2)续流作用。

当整流器的晶闸管控制角增大到一定值后，在某段时间内桥式整流电路中各元件均不导通，此时整流器输出电压为零，输出电压的波形出现了不连续，输出电流也就出现了不连续。

这必将影响逆变器和蓄电池的供电连续胜。

如果接入了电抗器L，在这段时间内电抗器将通过续流二极管所提供的通路，把它储存的能量释放出来，供给逆变器和蓄电池，形成导通回路，保证输出电流的连续性。

(3)限制短路电流上升率的作用。

当直流侧发生短路时，直流回路中的电流将猛然增大，危及晶闸管和硅整流元件如整流二极管。

利用电抗器上电流不能突变的特点，在电流中接入电抗器后可限制短路电流的上升率，从而起动保护整流器的作用。

2.滤波电容C
电容C是大容量、高耐压滤波电解电容，起平滑滤波作用。

3.L和C的选用
设计直流滤波器所用L和C的大小根据整流/充电器的容量合理计算，这里我们根据经验来取值。

L--考虑电感量大小和电流，选1mH/600A。

C--考虑大小和耐压值，选6800uF/450V两片。

3.1.3 主回路电路
综上所述，本整流/充电器的主回路电路如图3-2所示。

在图3-2主回路电路中。

图中各元件说明如下：
图3-2 整流/充电器的主回路电路图
KK------空气开关;
ZB------整流变压器，接法为Y/△——11；
RD1-3------整流输入端保护熔断器；
RD4------整流输出端保护熔断器；
YR1-3------整流输入端压敏电阻保护；
YR4------整流输出端压敏电阻保护；
S1-6------整流器件：晶闸管SCR；
RI-6------晶闸管阻容吸收电阻；
Cl-6------晶闸管阻容吸收电容；
LEM------霍尔电流传感器；。