雙變換UPS原理簡析及應用分析

摘 要：關于UPS的工作原理，很多人應該有一個模糊的概念，并不是很清楚，具體的工作原理是怎樣的。而且對于使用UPS的用戶來說，了解它的工作原理是很有必要的。

關鍵詞：UPS；雙變換UPS的工作原理；UPS的工作方式

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-02

所謂雙變換是指UPS正常工作時，電能經過了AC/DC、DC/AC兩次變換后再供給負載。其含義是無論交流輸入電源情況如何，負載始終由逆變器供電，雙變換UPS結構見圖1。

其主要組成部分及功能如下：

整流器/充電器：該變換器為AC/DC單向變換。當市電存在時，它完成對蓄電池的充電，并通過逆變器向負載供電。該變換器多為不可控整流或可控整流電路。

逆變器：該變換器為DC/AC單向逆變。當市電存在時，它由整流器獲得直流電能后再轉換為交流后輸出至負載，并保證向負載提供高質量的交流電源；當市電中斷時，由蓄電池通過逆變器向負載供電。

負載轉換開關：為了保證在逆變器和旁路電源之間不間斷地進行負載轉換，UPS的逆變器必須與旁路電源同步，以便采取先合后斷的轉換方式，即逆變器和旁路電源有短暫的一段時間并聯，然后斷開其中一個電源。因此，雙變換UPS一般增加了自動旁路電路，并設置旁路開關。平時處在斷開狀態，當變換電路發生故障、負載有沖擊性（例如啟動負載時）或發生過載故障時，變換器停止輸出，旁路開關接通，由電網直接向負載供電。UPS的負載轉換開關的種類很多，小功率采用繼電器轉換便能滿足要求，而大功率一般為采用晶閘管（SCR）方式的靜態開關，它們都是在過載或雙變換電路部分故障時，實現將將負載從一個電源轉換到另一個電源供電的開關，稱為負載轉換開關。圖中采用的是由機械開關K2、K4和靜態開關組成的混合轉換開關。在從UPS向旁路電源進行轉換時，靜態開關首先接通，然后K4接通，K2斷開。因此靜態開關只是瞬時承受負載。這種轉換開關既有轉換速度開的優點，又有優良的隔離性能，而且可靠性高。

維修旁路開關。雙變換UPS當功率較大時，需要增加一個稱為維修旁路的電路，并設置開關，以便在UPS需要維修時通過維修旁路開關，手動以先合后斷的方式將負載換到旁路電源。

雙變換UPS的工作原理：雙變換UPS有三種工作方式，即正常方式、儲能方式和旁路方式。

（1）正常方式。當雙變換UPS在電網供電正常時，電網輸入的電壓一路經過噪聲濾波器去除電網中的高頻干擾，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，并將交流電轉換為平滑直流電供給逆變器，而逆變器又將直流電轉換成交流電供負載使用。

UPS在下列情況下供電時，最終達到的穩定運行狀態，此時輸出受控，負載能得到有效的不間斷電源。UPS正常運行方式如圖2。

1）主電源存在，并處于給定允差之內；2）蓄電池已充好電，或者在給定的能量恢復時間內已再充電；3）連續運行或可能連續運行；4）鎖相有效（如有鎖相）；5）負載在給定范圍之內；6）輸出電壓在給定允差內；7）在使用UPS開關的地方，旁路有效并在規定的允差之內。

（2）儲能方式。當交流輸入電源電壓超出預定的容限或故障時，由蓄電池放電供給逆變器直流電，使逆變器繼續運行，不間斷地供給負載交流電源。當交流輸入電源恢復正常時，UPS恢復正常工作方式，如果交流輸入電源長時間停電，UPS將繼續在儲能方式下運行，直到蓄電池的儲能用完UPS的儲能供電運行方式如圖3。此時輸出受控，負載能得到有效的臨時電源。

UPS在下列供電情況下工作在儲能供電運行方式，通常稱之為“蓄電池運行”。情況包括：主電源中斷或超出給定的允差；直流儲能系統開始消耗；負載在給定范圍內；輸出電壓在給定允差之內。

（3）旁路方式。UPS由旁路向負載供電的運行狀態。旁路是指代替間接交流變流器的供電電路。UPS在旁路狀態下，逆變、升壓、降壓、穩壓功能均無效，接入市電時輸出端有輸出，輸出電壓等于市電電壓，在旁路狀態下，UPS和一般排插沒有區別。在下列情況下可以通過靜態開關自動地將負載從逆變器暫時轉換到旁路電源。情況包括：UPS內部故障；負載電流瞬變（出現浪涌或故障電流）；UPS過載；蓄電池放電至終止電壓。

旁路運行方式分為靜態旁路（電子旁路）運行方式和維修旁路運行方式。

靜態旁路（電子旁路）指的是代替間接交流變流器的供電電路（主電源或備用電源），該電路的控制是通過一個電力電子開關進行的，例如晶體管、晶閘管、雙向晶閘管或其它的半導體器件或裝置。靜態旁路工作方式示意圖見圖4。

維修旁路是指為維修期間安全和（或）保持負載電力連續性而用來允許隔開UPS的一部分或幾部分的電源通路。該通路可以由主電源或備用電源供電。手動維修旁路模式見圖5。

旁路工作方式下，負載輸出不受控制，負載得不到有效的電源。需要立即進行維修。

雙變換UPS系統具有如下優點：

1）負載與交流輸入電源的干擾完全隔離。交流輸入電源的干擾不會影響關鍵負載；2）負載始終由逆變器提供高質量的電源，在交流輸入電源正常時，逆變器由整流器供電，交流輸入電源故障時，逆變器由與整流器并聯浮充的蓄電池供電，在此過程中沒有電路的轉換，沒有任何供電中斷或輸出電壓的瞬時下降；3）蓄電池放電的幾率相對較小（比其他任何UPS的蓄電池放電的幾率都小），故可延長蓄電池的壽命；4）允許的交流輸入電壓變化范圍較寬（例如+15%～-20%），輸出電壓穩定度較高（例如，可達到1%，0.5%）；5）輸出頻率穩定度高（內同步時，±0.005Hz），UPS有可能用做變頻器；6）逆變器輸出一般都有一個隔離變壓器，因此有一個隔離的電源中線，可以對負載進行共模噪聲保護；7）雙變換UPS的整流器和旁路輸入一般由兩個獨立的輸入端子接入，這大大提高了UPS的故障容限。如果沒有單獨的旁路電源，整流器和旁路輸入可以共用一個電源；8）故障率低。采用輸入變壓器、輸出變壓器及光電藕合器件等，將“強電”驅動部分與“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。

雙變換UPS系統的缺點如下：

1）因為100%的負載功率需要經過整流和逆變兩次電力變換，損耗較大，降低了系統總效率；2）由于雙變換UPS輸入端一般都采用相控整流器，相控整流器產生的輸入諧波電流對交流輸入電源造成嚴重干擾。特別在由備用發電機組供電時影響大，需要配置至少2～3倍UPS容量的柴油發電機組。這個問題可以通過在UPS輸入端增加濾波器或采用12脈沖整流器加以解決。

UPS的工作方式除了正常方式、儲能方式和旁路方式之外，還有經濟運行方式和主/備電源共用運行方式。UPS的經濟運行方式是指負載由旁路通過靜態旁路開關供電，主電源為蓄電池充電并隨時提供備用，當情況緊急時能迅速切換給負載，保持電源的連續性。UPS的主/備電源共用運行方式是指主電源和備用電源同時為負載提供可靠穩定的電源，此時輸出受控。

參考文獻：

[1]愛默生網絡能源有限公司.iTrust Industry UPS 單機及“1+1”冗余并機系統[Z].

[2]劉霓.UPS系統原理?性能介紹?選配及操作維護指南[Z].

[3]梅日梅蘭電子（中國）有限公司.UPS冗余工作方式介紹及配置舉例[Z].

[作者簡介]張雨，女，實訓與教育技術中心，助教，碩士，研究方向：通信信號。