不间断电源系统概要

不间断电源系统

UPS (Uninterruptable Power Supply)

一．定义：

UPS系统是连接在输入电源和负载之间，为重要负载提供不受电网干扰、稳压、稳频的电力供应的电源设备，在市电掉电后，UPS可继续给负载提供一段时间的供电，为通信、能源、化工、医疗等重要负载提供足够的后备时间。

二．应用范围：

UPS系统适用于不间断用电场合，主要作为各种计算机机房的不间断电源系统，广泛应用于金融证券、邮电通信、政府机关、能源化工、交通运输等各行各业。

三．系统组成：

UPS系统主要包括由整流模块(REC)和逆变模块(INV)组成的AC-DC-AC变换主回路、由两组反向并联的可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器和静态开关、蓄电池组以及输入/输出空开Q1/Q5等，如图1所示。

图1 UPS原理框图

UPS系统基本工作方式是主路交流电源从空气断路器Q1输入，经过整流模块将交流电源变成直流电源，完成AC/DC变换，一方面给并接在直流母线上的蓄电池组进行浮充充电，另一方面向逆变模块提供可靠的输入直流电。逆变器进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。UPS系统应用实时处理和全数字控制技术，从主回路静态开关输出稳定、洁净、不间断的交流电源。输入电源也可以从包含有静态开关的旁路回路向负载供电。另外，在要求负载电源不停电而对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3BP。

四．工作原理

UL33系列UPS单机系统主电路如图2所示。

图2 三进三出UPS单机主电路原理图

主路输入电源从空气断路器Q1输入，通过熔断器保护系统，经自耦变压器降压，通过输入电感进入高频六管整流单元，高频整流/充电器将三相交流电变换为稳定的直流电源，同时实现功率因素校正；该部分电路采用分步式多重软启动功率回路和DSP实时处理的全数字控制技术，提高了系统的抗冲击能力和直流母线电压的稳定性，可减小蓄电池充电纹波，延长蓄电池的寿命。

蓄电池通过接触器接入，只有在直流母线电压达到一定阀值时接触器才能将蓄电池组与直流母线并联接通，蓄电池通过直流滤波电路向逆变器提供直流电源。

逆变器采用DSP实时处理的全数字矢量控制技术，通过SVPWM调制六只IGBT功率开关器件，把直流母线电源变换成三相交流。输出经过△/Z0变压器、静态开关、快速熔断器、空气断路器等功能单元，实现负载端与输入侧的隔离。

旁路输入电源从空气断路器Q2输入，通过旁路静态开关的控制后输出。

双DSP和单片MCU组成全数字控制系统，为本机强大的功能提供了可靠保证。通过控制旁路静态开关和逆变器输出静态开关的通断状态可实现多种工作模式的切换，先进的电池管理可延长电池寿命，多种通信接口和管理软件为管理个性化提供了可能。

UPS并机系统采用全数字、分散式在线并联。各台UPS由并机板引入并机逻辑信号和环流检测信号，可实现最多8台同型号UPS的直接并联。UL33系列UPS电源能够实现N+X冗余并联、扩容并联及串联热备份等多种工作方式。在线并机方式不需增加任何辅助设备，可缩短停电时间甚至无需断电，从而提高系统可靠性。

五．结构布局

如图3和图4所示，UPS系统主要由整流模块、逆变模块、辅助电源、输入输出配电、监控系统、并机控制、防雷和EMI系统、风扇制冷系统、输入输出隔离滤波系统等组成。

1：风扇2：整流模块3：两块辅助电源板ULW2L61M5 4：交流接触器

5：电池输入接线端子6：手动维修空气断路器Q3BP 7：逆变模块

8：配电板ULK2L61R1 9：D级防雷器SPD12Z 10：输出空气断路器Q5

11：主路输入空气断路器Q1 12：旁路电源输入空气断路器Q2

13：操作键盘板ULW2L61K1 14：液晶显示屏15：并机板ULW2L61M3

16：监控板ULW2L61U2 17：地脚螺钉四个

图3 20k/30k UPS元器件布局图

1：风扇2：整流模块3：软启动继电器

4：交流接触器5：两块辅助电源板ULW2L61M5

6：D级防雷器SPD12Z 7：霍尔电流传感器

8：电池输入接线端子9：手动维修空气断路器Q3BP

10：主路输入空气断路器Q1 11：旁路电源输入空气断路器Q2

12：逆变模块13：快速熔断器

14：并机板ULW2L61M3 15：EMI板ULW2L61M4

16：磁环17：输出空气断路器Q5

18：操作键盘板ULW2L61K1 19：液晶显示屏

20：监控板ULW2L61U2 21：蓄电池EMI板

22：熔断器NT00 23：地脚螺钉四个

图4 40k/60kV A UPS元器件布局图七．基本功能

1．工作模式

1．1 正常工作模式

在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载在线提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。原理框图见图5。

交流电故障后由发电机供电且发电机容量足够大时，称为智能发电机工作模式。

图5 正常工作模式

1．2电池工作模式

当主路市电异常时，系统自动无间断地切换到电池工作模式，由电池逆变出用户所需的三相四线交流电源向负载供电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。原理框图见图6。

图6 电池工作模式

1.3旁路工作模式

旁路工作方式有两种，一种能自动恢复到正常工作模式；另一种需人工干预才能回到正常工作模式。

在逆变器过载延时时间到、逆变器受大负载冲击等情况下，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。在UPS恢复正常后，系统自动恢复正常供电方式。