在線式UPS電路結(jié)構(gòu)及其特點介紹
目前，在線式UPS使用得較為普遍。無論市電正常與否，在線式UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)。逆變器具有穩(wěn)壓和調(diào)壓作用，因此在線式UPS能對電網(wǎng)供電起到"凈化"作用，同時具有過載保護功能和較強的抗干擾能力，供電質(zhì)量穩(wěn)定可靠，但其價格較貴。
所謂在線式是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負載所用的交流電壓都要經(jīng)過逆變電路，即逆變電路始終處于工作狀態(tài)，在線式UPS一般為雙變換結(jié)構(gòu)。所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經(jīng)過了AC/DC、DC/AC兩次變換后再供給負載。
當(dāng)然為了提高系統(tǒng)的可靠性，在線式雙變換UPS一般增加了自動旁路電路。小功率采用繼電器轉(zhuǎn)換便能滿足要求，而大功率一般為采用晶閘管(SCR)方式的靜態(tài)開關(guān)，在過載或雙變換電路部分故障時負載由旁路供電，這是非正常工作狀態(tài)，這種情況出現(xiàn)的概率比電網(wǎng)不正常概率要小得多。功率較大的UPS在此基礎(chǔ)上還增加了手動旁路(維修開關(guān))，用于維修時保證負載繼續(xù)運行。
1.雙變換在線式UPS
(1)電路各環(huán)節(jié)功能。當(dāng)前，絕大多數(shù)在線式UPS都采用雙變換電路結(jié)構(gòu)，雙變換在線式UPS結(jié)構(gòu)圖。
1)變換器1:該變換器為AC/DC單向變換。當(dāng)市電存在時，它完成對蓄電池的充電，并通過變換器2向負載供電。該變換器多為不可控整流或可控整流電路。
2)變換器2:該變換器為DC/AC單向逆變。當(dāng)市電存在時，它由變換器l獲得直流電能后再轉(zhuǎn)換為交流后輸出至負載，并保證向負載提供高質(zhì)量的交流電源;當(dāng)市電中斷時，由蓄電池通過變換器2向負載供電。
3)旁路開關(guān):平時處在斷開狀態(tài)，當(dāng)變換電路發(fā)生故障、負載有沖擊性(例如啟動負載時)或發(fā)生過載故障時，變換器停止輸出，旁路開關(guān)接通，由電網(wǎng)直接向負載供電，旁路開關(guān)多為智能型的功率容量很強的無觸點開關(guān)。
(2)在線式UPS的工作原理。在線式UPS的工作原理如圖3所示。當(dāng)在線式UPS在電網(wǎng)供電正常時，電網(wǎng)輸入的電壓一路經(jīng)過噪聲濾波器去除電網(wǎng)中的高頻干擾，以得到純凈的交流電，然后分別進入充電器對蓄電池充電，另一路進入整流器進行整流和濾波，并將交流電轉(zhuǎn)換為平滑直流電供給逆變器，而逆變器又將直流電轉(zhuǎn)換成220V，50Hz的交流電供負載使用。
當(dāng)發(fā)生市電中斷時，交流電的輸入已被切斷，整流器不再工作，此時蓄電池放電把能量輸送到逆變器，再由逆變器把直流電變成交流電，供負載使用。因此，對負載來說，盡管市電已不復(fù)存在，但此時負載并未因市電中斷而停運，仍可以正常運行。
目前，在線式UPS使用得較為普遍。無論市電正常與否，在線式UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)。逆變器具有穩(wěn)壓和調(diào)壓作用，因此在線式UPS能對電網(wǎng)供電起到"凈化"作用，同時具有過載保護功能和較強的抗干擾能力，供電質(zhì)量穩(wěn)定可靠，但其價格較貴。在線式UPS從根本上完全消除了來自市電的任何電壓波動和干擾對負載工作的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電。在線式UPS輸出的正弦波的波形失真系數(shù)小。目前，一般市售產(chǎn)品的波形失真系數(shù)均在3%以內(nèi)。
當(dāng)市電供電中斷時，UPS的輸出不需要一個開關(guān)轉(zhuǎn)換時間，因此其負載電能的供應(yīng)是平滑穩(wěn)定的。在線式UPS能實現(xiàn)對負載的真正的不間斷供電，因此從市電供電到市電中斷的過程中，UPS對負載供電的轉(zhuǎn)換時間為零。
由于在線式UPS工作過程是:在對蓄電池充電的同時，電能需經(jīng)兩次變換再向負載供電，而在市電中斷時再由逆變器將蓄電池的電能逆變成交流電能，因此其電能的轉(zhuǎn)化過程中有20%左右的電能損失。而且該過程所產(chǎn)生的熱能又影響蓄電池的壽命和電路的可靠性。
(3)傳統(tǒng)雙變換在線式UPS。傳統(tǒng)雙變換在線式UPS的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，在圖4中AC/DC采用全波整流濾波電路，整流器可為SCR全控整流、半控整流及不控整流。晶閘管(SCR)整流一般在中、大功率UPS中運用，技術(shù)相當(dāng)成熟，SCR工作在低頻狀態(tài)，控制簡單，運行穩(wěn)定可靠，效率高，整流器造價低。而對于小功率UPS來說，則將220VAC直接整流濾波，則更簡單、更可靠、成本更低，UPS的穩(wěn)壓功能是由逆變器DC/AC來完成的。
這種拓撲結(jié)構(gòu)的UPS輸大功率因數(shù)低，一般為0.7左右，輸入電流諧波大，最大達30%，改用12相整流(三相輸入)或加輸入濾波電感，輸入功率因數(shù)可提高到0.9左右，諧波電流降到10%以下。
UPS的輸入功率因數(shù)低，意味著輸入無功功率大，輸入諧波電流污染市電電網(wǎng)，以脈動斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流在市電電網(wǎng)沿線路阻抗上形成脈動電壓疊加在電網(wǎng)電壓的正弦波上，造成電壓失真，這就是所謂的電力公害，使得同一電網(wǎng)供電的變壓器、電動機等產(chǎn)生附加諧波損耗、過熱、加速絕緣老化;高次諧波對通信線路、測量儀器產(chǎn)生輻射干擾，并影響電能表計算精度。
蓄電池組通過二極管或可控管與市電整流濾波輸出端并聯(lián)，稱為直流母線(BUS)。當(dāng)整流后的電壓低于蓄電池電壓時，則由蓄電池向逆變器提供電能。逆變器的逆變橋一般由600V的IGBT構(gòu)成，IGBT一般工作在20kHz左右的SPWM狀態(tài)。變壓器T2具有電氣隔離、升壓，以及采用其漏感實現(xiàn)濾波的作用，也有在T2的一次側(cè)串接隔直電容，防止變壓器飽和電流大損害功率器件。
若想拓寬電路的輸人電壓范圍，可在輸入整流前加一個自動穩(wěn)壓裝置(AVR)。當(dāng)三相輸入時，則在輸入端接一個Y/△大型工頻變壓器，同樣適用上述電路。
(4)帶有源功率因數(shù)校正(APFC)電路的雙變換式UPS。這種結(jié)構(gòu)的UPS采用電感等無源功率因數(shù)校正(PowerFactorCorrection，PFC)電路，體積大，抑制高次諧波效果差。在UPS輸入端增加有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection，APFC)電路，能有效地抑制高次諧波。比較典型的電路拓撲是采用UC3854控制升壓式變換器(BOOST)拓撲，采用平均電流控制模式，具有較好的校正效果，功率因數(shù)值能達到0.99，輸入電流諧波(THD)小于5%。一般輸入電壓在160~270V范圍內(nèi)均有較好的穩(wěn)壓效果，也很容易做到輸入電壓在120~160V范圍內(nèi)UPS也能工作，但必須降載使用(33%~50%負載)。
電路中蓄電池一般采用20~24節(jié)12V蓄電池，蓄電池BOOST升壓與交流PFC的輸出電壓一般為380VDC，供給逆變橋。
在圖5中開關(guān)管VT和二極管VD5處于硬開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)VT開通時，電流上升、電壓下降同時進行;VT關(guān)斷時，電流下降、電壓上升同時進行，于是存在開關(guān)損耗;當(dāng)開關(guān)管硬關(guān)斷時，感性元件感應(yīng)出較高的尖峰電壓，易造成開關(guān)管擊穿;二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，存在反向恢復(fù)時間，易造成直流電源瞬間短路。為了解決上述問題，特別在大功率應(yīng)用中，采用UC3855控制的ZVT(零電壓)-PFC拓撲。
(5)雙隔離的雙變換式UPS。在電路拓撲中，當(dāng)系統(tǒng)處于旁路狀態(tài)時，輸入電壓的干擾是直接傳輸給了輸出，圖6所示采用雙隔離變壓器，可以徹底隔離逆變和旁路輸入干擾對輸出的影響，同時可以使輸出的中性線與接地(N、G)間的電壓低于lV，將其應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)的供電中可以減小傳輸誤碼率和提高傳輸速度。但雙隔離變壓器的增加導(dǎo)致UPS質(zhì)量和成本的提高。
(6)全高頻單PFC半橋式UPS。全高頻單PFC半橋式UPS的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)式雙變換結(jié)構(gòu)體積大、效率低和造價高的問題。屬于這種類型的UPS有FENTON、NEWAVE、VICTRON、M.G和EXIDE的中等容量系列等。這種結(jié)構(gòu)的UPS基于高耐壓、大電流的功率器件的成功應(yīng)用，沒有輸出變壓器，輸入采用PFC功率因數(shù)校正，直流電壓高，逆變器輸出電壓經(jīng)濾波后可直接達到標準的市電電壓。而且逆變器的脈寬調(diào)制頻率比傳統(tǒng)式雙變換結(jié)構(gòu)也高，傳統(tǒng)式雙變換結(jié)構(gòu)一般在l0kHz以下，而這種一般在20kHz或以上，瞬態(tài)響應(yīng)速度快。
如前所述，由于雙變換電路即使在市電很穩(wěn)定時，也要對其進行兩次變換后才將電能輸送給負載，無形中白白浪費了不該浪費的那部分能量，不能充分利用市電，如果當(dāng)市電穩(wěn)定在某一指定范圍時，不進行上述的兩次變換，只進行必要的濾波，而后將經(jīng)過凈化的交流電直接輸送給負載。可節(jié)約了能源、提高了效率、降低了工作溫度，從而提高了可靠性。根據(jù)上述思想，雙變換UPS推出了經(jīng)濟運行模式。
小功率(1~3kVA)高頻在線式UPS常見的一個電路，VT1的控制芯片一般是UC3854。電路的工作原理如下。
輸入正半周：Ui(L)→L1→VD1→VT1→VD4→Ui(N)電感儲能;
Ui(L)→L1→VD5→C1→Ui(N)電感釋能，電容C1充電。
輸入負半周：Ui(N)→VD2→VT1→VD3→L1→Ui(N)電感儲能;
Ui(N)→C2→VD6→L1→Ui電感釋能，電容C2充電。
當(dāng)輸入市電在規(guī)定范圍內(nèi)時，經(jīng)PFC-BOOST升壓得到±380V左右的直流母線電壓(因輸出220V正弦波的峰值為311V，加上考慮調(diào)制比及死區(qū)原因)。出于經(jīng)濟方便考慮，小功率(1~3kVA)高頻在線式UPS的蓄電池電壓為36~120VDC不等，蓄電池低壓經(jīng)DC/DC升壓變換至±375VDC，送到直流母線上。當(dāng)市電輸入超過規(guī)定范圍時，退出PFC工作，一旦電容C1、C2上直流母線電壓由±380VDC降到±375VDC時，蓄電池開始供電，對輸出電壓來說不存在轉(zhuǎn)換時間。
AC/DC變換部分高頻化提高了UPS的輸入功率因數(shù)(0.98以上)及輸入電壓范圍(±20%以上)，DC/AC逆變部分高頻化減少了輸出濾波電感的體積，功率密度大。
由于無輸出隔離變壓器，中性線與接地(L、N)間電壓受到供電電網(wǎng)及負載的影響而較高，影響計算機網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度。
一旦逆變上橋臂的IGBT被擊穿短路，直流母線高電壓將加到負載上，將危及負載的安全。因此，高頻機如果能加上輸出隔離變壓器，性能將高于傳統(tǒng)的雙變換機。
(7)帶雙功率因數(shù)校正的全高頻UPS。在5~l0kVA高頻UPS中，一般采用雙功率因數(shù)校正(BOOSTPFC)，電路的工作原理如下。
輸入正半周時：Ui(L)→V1→L1→VT1→Ui(N)電感儲能;
Ui(L)→V1→L1→VD5→C1→Ui(N)電感續(xù)流，電容充電。
輸入負半周時：Ui(N)→VT2→L2→V2→Ui(L)電感儲能;
Ui(N)→C2→VD6→L2→V2→Ui(L)電感續(xù)流，電容充電。
蓄電池工作時:
蓄電池(BAT+)→V3→L1→VT1→VT2→L2→蓄電池(BAT-)，VT1、VT2均通，電感儲能。
蓄電池(BAT+)→V3→L1→VT1→C2→VD6→蓄電池(BAT-)，VT1通、VT2止，電感L1儲能，電容C2充電。
蓄電池(BAT+)→V3→L1→VD5→C1→C2→VD6→L2→蓄電池(BAT-)，VT1止、VT2止，電容C1充電，電容C2充電。
蓄電池(BAT+)→V3→L1→VD5→C1→VT2→L2→蓄電池(BAT-)，VT1止、VT2通，電容C1充電，電感L2儲能。
雙功率因數(shù)校正技術(shù)性能與單功率因數(shù)校正原理差不多，只是可把功率做得更大。
2.在線式UPS的特點
在線式正弦波輸出UPS的主要具有以下特點:
(1)由于在線式UPS無論是在市電正常時，還是在市電中斷由機內(nèi)蓄電池向逆變器供電期間，它對負載的供電均是由UPS的逆變器提供。正因為如此，從根本上消除了來自市電電網(wǎng)的任何電壓波動和干擾對負載工作的影響，真正實現(xiàn)了對負載的無干擾穩(wěn)壓供電。這顯然不是任何一種抗干擾交流穩(wěn)壓電源所能解決的。目前，市場上銷售的在線式正弦波輸出UPS均能實現(xiàn)對負載的穩(wěn)壓穩(wěn)頻供電。當(dāng)市電電壓變化范圍為180~250V時，它的輸出電壓穩(wěn)定范圍可達220V±3%，正弦波的工作頻率穩(wěn)定范圍在50Hz±1%。
(2)在線式UPS輸出正弦波的波形失真系數(shù)最小，一般小于3%。
(3)市電中斷時在線式UPS能真正實現(xiàn)對負載的不間斷供電。只要機內(nèi)蓄電池能向UPS逆變器提供能量，無論市電是否中斷，在線式UPS都是由逆變器向負載供電。因此，從市電供電到市電中斷的過程中，在線式UPS內(nèi)部并沒有產(chǎn)生任何轉(zhuǎn)換動作，其對負載供電的轉(zhuǎn)換時間為零。
(4)在線式UPS同后備式UPS相比，具有優(yōu)良的輸出電壓瞬變特性。一般在l00%負載加載或100%負載減載時，它的輸出電壓變化范圍為1%左右，這種變化的持續(xù)時間一般為1~3周波。
(5)在線式UPS一般采用20kHz以上的PWM技術(shù)，其噪聲較小，約為50dB。
(6)在線式UPS的控制電路中，采用輸入變壓器、輸出變壓器及光電耦合器件等將“強電”驅(qū)動部分與“弱電”控制線路部分從電的角度隔離開來，因而電路的可靠性得到了極大的提高。這種UPS的故障率一般都很低。