第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

UPS的可靠運行離不開各模塊的協(xié)調(diào)工作，下面就UPS主要功能模塊電路拓?fù)溥M(jìn)行簡要 分析 。

1、整流和功率因數(shù)校正電路

整流電路在應(yīng)用中構(gòu)成直流電源裝置，是公共電網(wǎng)與電力電子裝置的接口電路，其性能將影響公共電網(wǎng)的運行和用電質(zhì)量。高性能的UPS要求有較高的輸入功率因數(shù)，并盡量減少輸入電流的諧波分量。傳統(tǒng)單相UPS多采用模擬方法，三相UPS多采用相控式整流電路和電壓型單管整流電路。

1）傳統(tǒng)三相相控式整流電路和電壓型單管整流電路相控式整流電路采用半控式功率器件作為開關(guān)，存在著以下問題：

（1）網(wǎng)側(cè)諧波電流的存在將降低設(shè)備網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，增加無功功率；

（2）相控整流換流方式，導(dǎo)致?lián)Q流期中電網(wǎng)電壓畸變，不僅使自身電路性能受到影響，而且對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，對同一接地點的網(wǎng)間其他設(shè)備帶來不良影響；

（3）相控整流環(huán)節(jié)是一個時滯環(huán)節(jié)，無法實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。

電壓型單管整流電路是三相不控整流橋加Boost電路的簡稱，它的缺點是：電流峰值大，不僅妨礙系統(tǒng)功率的提高，也增加了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；為了保持網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的提高，Boost電路必須有一定的升壓比，這對三相電路會導(dǎo)致直流輸出電壓過高。

2）電流型三相橋式整流電路

電流型三相橋式整流電路如下圖所示，其優(yōu)點是反饋控制簡單，不需要在控制電路中加入電流反饋，只須調(diào)節(jié)各開關(guān)管的占空比就可以實現(xiàn)輸入電流正弦化；直流側(cè)的電壓較低。缺點是輸入電流正弦度不是很好，在輸入側(cè)必須加入并聯(lián)電容，實現(xiàn)移相。這種電路現(xiàn)在開始成為 研究 的熱點之一。這種電路適用于大功率整流電路且對功率因數(shù)要求不高的場合。

電流型三相橋式整流電路

3）電壓型三相橋式整流電路

電壓型三相橋式整流電路如下圖所示，其特點是采用高頻PWM整流技術(shù)，器件處于高頻開關(guān)狀態(tài)，由于器件的開通和關(guān)斷狀態(tài)可以控制，所以整流器的電流波形是可控制的。這種電路的優(yōu)點是可以得到與輸入電壓同相位的輸入電流，也就是輸入功率因數(shù)為1，輸入電流的諧波含量可以接近為零；能量可以雙向流動，正常時能量從交流側(cè)向直流側(cè)流動，直流輸出電壓高于給定值時，能量從直流側(cè)向交流側(cè)流動，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。缺點是屬于Boost型整流電路，直流側(cè)電壓要求較高。這種電路也是近年來 研究 的一個熱點。

電壓型三相橋式整流電路

2、蓄電池組和充放電電路

蓄電池組是UPS的儲能單元，市電正常時它吸收來自市電的能量并以化學(xué)能的形式儲存起來，一旦市電中斷，它把儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能向逆變器供電，維持負(fù)載供電的連續(xù)性。在中小功率的UPS系統(tǒng)中，電池組的電壓通常比較低，因此，通常使用能量能夠雙向流動的充放電電路。大功率系統(tǒng)中為了提高效率，簡化電路通常直接把電池組并接在直流母線上。

3、逆變電路

逆變器是UPS的核心，它把直流電能轉(zhuǎn)換成用戶所需的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電能。下面仍以三相逆變器為對象 分析 近年來逆變器的 研究 熱點。

1）三相半橋式逆變電路

在三相逆變電路中以三相半橋橋式電路應(yīng)用最為普遍，這種電路的特點是采用全控型器件組成逆變器，存在著功率密度高，性能好，小型輕量化等優(yōu)點。這種電路便于使用新的控制策略以提高逆變器的質(zhì)量。但是，要實現(xiàn)帶100％的獨立負(fù)載是比較困難的。

2）H橋逆變器

對于超大容量的逆變器，由于功率等級的大幅度提高，對逆變器的結(jié)構(gòu)提出了新的要求，H橋臂逆變器便是選擇之一。這種逆變器輸出變壓器采用多繞組接法，輸出變壓器的原邊采用3個獨立的繞組，逆變器輸出采用3個獨立的H橋。這樣控制方便，但是成本較高。

3）三相四橋臂變換技術(shù)

由于三相電路中，三橋臂逆變器本身存在著固有的缺陷，人們開始尋求新的電路結(jié)構(gòu)，于是出現(xiàn)了三相四橋臂逆變器，如下圖所示。這種電路結(jié)構(gòu)輸出為三相四線制，三相電壓可以獨立控制，控制方法靈活，但是這種拓?fù)涞乃惴ū容^復(fù)雜，PWM矢量在三維空間中旋轉(zhuǎn)，必須采用數(shù)字控制方法才能實現(xiàn)空間PWM波形的生成，這種電路成為了近年來 研究 的熱點之一。

三相四橋臂逆變器

4、三相UPS整機電路

1）傳統(tǒng)三相UPS電路結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的三相UPS結(jié)構(gòu)，輸入采用晶閘管整流，輸出采用逆變器，電池直接掛接于直流母線，整流器同時作為充電器。輸出采用變壓器隔離，可以實現(xiàn)輸入輸出完全隔離，確保電網(wǎng)的擾動不會對負(fù)載造成干擾。市電斷電時，電池通過逆變器輸出穩(wěn)定的交流電；在逆變器出現(xiàn)故障時，通過旁路輸出電壓，保證了供電的可靠性。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是體積和重量都比較大。

2）高頻鏈?zhǔn)饺郩PS

為了降低成本，減小UPS的體積和重量，出現(xiàn)了高頻鏈?zhǔn)饺郩PS，如下圖所示。這種電路省去了龐大的工頻變壓器，輸入采用高頻整流，可以獲得較高的輸入功率因數(shù)和較低的輸入諧波電流。其缺點是輸入輸出沒有變壓器隔離，電網(wǎng)的擾動可能會給UPS的輸出造成擾動；輸出三相電壓靠電池和電容中點形成中線，所以在控制中必須保持正負(fù)直流電壓幅值的相等，否則輸出中線會有較大的直流成分，對負(fù)載和負(fù)載中的變壓器不利；輸入采用三相四線制，中線有電流流過，可能會造成中線電位偏移，對負(fù)載造成干擾；輸入輸出不隔離，并聯(lián)時的環(huán)流問題較難解決。

高頻鏈?zhǔn)酱笕萘咳郩PS的結(jié)構(gòu)

3）新的在線互動式UPS

由于以上兩種UPS都要經(jīng)過兩次滿功率變換，因此系統(tǒng)的效率較低，從提高系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，出現(xiàn)了一種串并聯(lián)補償式的大容量結(jié)構(gòu)，是一種新的在線互動式結(jié)構(gòu)，如下圖所示。這種拓?fù)漭斎胼敵鐾瑯記]有變壓器隔離，所以會有高頻鏈?zhǔn)経PS的缺點。這種UPS的輸出頻率必須保持與電網(wǎng)一致，而且對電網(wǎng)的擾動的抑制能力不強，因而供電質(zhì)量比傳統(tǒng)的三相UPS差。它的特點是從輸入到輸出間的能量不是經(jīng)過滿功率的變換，同樣是由兩個高頻變換器組成，但是變換器1最大只承受20％的功率，從成本上講，這種結(jié)構(gòu)的成本更低。在控制方法上，變換器1是一個電壓補償器，用于補償電網(wǎng)電壓的畸變；變換器2是一個電流補償器，用于補償負(fù)載的諧波電流，并且在市電斷電時作為滿功率電壓型逆變器向負(fù)載供電。

在線互動式大容量UPS

4）輸入輸出隔離的高頻鏈UPS

由于傳統(tǒng)工頻UPS的輸入輸出帶有隔離變壓器，輸出有很好的隔離特性，高頻鏈?zhǔn)降腢PS有很好的輸入特性，因此，出現(xiàn)了這種帶有輸入輸出隔離的高頻鏈?zhǔn)降腢PS如下圖所示。由于高頻整流的缺點，在輸入側(cè)必須接一個自耦變壓器降壓，增加了整機的重量和成本；另外，由于輸入采用了高頻變換器，整機的效率比高頻鏈?zhǔn)胶蛡鹘y(tǒng)式UPS的效率都低。但是，由于輸入功率因數(shù)是1，沒有諧波電流，所以所消耗的總電能低于傳統(tǒng)三相UPS。

帶隔離的大容量UPS結(jié)構(gòu)

5）輸入輸出并聯(lián)的UPS

這種電路中，輸入端由多個整流器并聯(lián)而成，給直流母線供電，同時直流母線給多個逆變器提供直流電壓，多個逆變器的輸出端直接連接同時給負(fù)載供電。這種方式可以增強UPS的容量，增加系統(tǒng)的可靠性，成本下降，可維護性增強，但是，并聯(lián)模塊越多，各模塊間的均流問題越難解決。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點或流程

三相電度表有三相三線，三相四線，輸入電壓有3×(220～240)V/380～400V、3×57V/100V等。三相電度表供電電路可以參考單相電度表電源的設(shè)計方法，對于三相四線供電電路，可以在每一相線對零線之間接1只線性變壓器，共3只線性變壓器；對三相三線可以取一相如Β相作為公共地線，A、C相對Β相接2只線性變壓器。這些變壓的副邊單獨整流后再將輸出的正極接在一起、負(fù)極接在一起，經(jīng)電容濾波后，再通過DC/DC變換器輸出穩(wěn)定電壓，向電度表供電，如下圖所示。

三相電度表線性電源

這種供電方式體積和重量較大，成本也較高，顯然按以上電路連接時，對三相四線供電時不能缺零線，對三相三線供電時不能缺公共地線，如B相；另外，有的供電局用戶要求，三相電度表輸入端任意兩線有電壓輸入時都能工作，則圖5的設(shè)計便不能達(dá)到目的；當(dāng)采用三相電度表專用開關(guān)電源模塊供電時，可解決以上問題，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。

三相電度表專用開關(guān)電源模塊

這種三相電度表專用開關(guān)電源模塊，體積為32mm×75mm×22mm，輸入電壓范圍寬，在60～480V范圍內(nèi)，任意二線、三線、四線輸入都可工作，帶有輸入過壓、輸出過流保護功能，電源的EMC特性也較好，另外還有體積小、重量輕、效率高、損耗小等優(yōu)點，它的每相供電的自身損耗均<0.4W。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

不間斷電源的發(fā)展動向是UPS的多機并聯(lián)冗余化，采用冗余并機技術(shù)提高UPS的容量和可靠性；采用功能更豐富的硬件設(shè)備實現(xiàn)全數(shù)字控制，使各種先進(jìn)的復(fù)雜控制算法得以運用而不斷提高UPS的性能，即向數(shù)字化和高頻化發(fā)展；UPS的進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化，使計算機網(wǎng)絡(luò)成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。

1、UPS的多機并聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)冗余化

UPS的并聯(lián)技術(shù)可以帶來以下幾個方面的好處：

1）可以靈活地擴大電源系統(tǒng)的容量；

2）可以組成并聯(lián)冗余系統(tǒng)以提高運行的可靠性：

3）極高的系統(tǒng)可維修性，當(dāng)單臺電源出現(xiàn)故障時，可以很方便地通過熱插拔的方式進(jìn)行更換和維修。

采用并聯(lián)技術(shù)可以形成具有容錯功能的冗余式供電系統(tǒng)，從目前掌握的資料來看，主要有以下幾種冗余配置方案：

1）集中式并聯(lián)控制；

2）主從式并聯(lián)控制；

3）分散式并聯(lián)控制；

4）環(huán)鏈?zhǔn)讲⒙?lián)控制；

5）無線式并聯(lián)控制。

這幾種并聯(lián)方式，從可靠性的角度看，集中式最差，無線式控制最好，也成為近年來的 研究 熱點。

2、UPS的數(shù)字化、高頻化

最初的UPS采用模擬控制方法有很多局限性。隨著數(shù)字處理器計算速度的不斷提高，使得各種先進(jìn)的數(shù)字控制方法得以實現(xiàn)，使UPS的設(shè)計具有很大的靈活性，設(shè)計周期縮短，性能大為提高。UPS高頻化，有效地減小了裝置的體積和重量，并可消除變壓器和電感的音頻噪音，同時改善了輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)能力。數(shù)字化控制方法成了當(dāng)今交流電源領(lǐng)域的一個 研究 熱點，一種必然的發(fā)展趨勢是各種方法相互滲透，互相結(jié)合形成復(fù)合控制方案。數(shù)字化復(fù)合控制是UPS控制的一個發(fā)展方向。

3、UPS的智能化、網(wǎng)絡(luò)化

為了適應(yīng)計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，UPS中已經(jīng)開始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM結(jié)合，成為計算機網(wǎng)絡(luò)的一部分，具有以下優(yōu)異的智能化、網(wǎng)絡(luò)化特性。

1）實時監(jiān)控功能

它對UPS各模擬參量和表示工作狀態(tài)的開關(guān)量進(jìn)行實時高速采樣，實現(xiàn)數(shù)字式監(jiān)控。

2）自診斷、自保護功能

UPS將實時采集來的各項模擬參量和工作狀態(tài)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)中的關(guān)鍵硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)與正常值進(jìn)行 分析 比較，以判斷UPS是否有故障隱患存在。如果有故障，根據(jù)相應(yīng)的故障信息級別在控制面板的顯示屏上以友好的圖形界面、文字提示方式報警，或者在現(xiàn)場和控制室以指示燈燈光、報警器嗚叫方式報警、也可以用自動撥通電話等方式報警，并做出相應(yīng)的保護動作。

3）人機對話的控制方式

大型UPS可向用戶提供監(jiān)控器液晶顯示屏，以圖形和文字方式顯示工作流程和參數(shù)信息。可以提供讓用戶操作的可視化菜單。并以幫助和不斷提示的方式引導(dǎo)用戶按照既定方式處理故障，有效防止誤操作。

4）遠(yuǎn)程控制功能

在網(wǎng)絡(luò)化時代，UPS不僅應(yīng)能向由它直接供電的硬件設(shè)備提供保護，還應(yīng)該對整個網(wǎng)絡(luò)中的運行程序和數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸途徑進(jìn)行全面地保護，使之成為不間斷網(wǎng)絡(luò)。這就意味著UPS應(yīng)配置相應(yīng)的電源監(jiān)控軟件、SNMP(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）管理器，使其具有遠(yuǎn)程管理能力，用戶可執(zhí)行UPS與網(wǎng)絡(luò)平臺之間的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信操作，使UPS成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要組成部分。這樣，由網(wǎng)管員通過網(wǎng)管軟件監(jiān)控多臺UPS，而且被管理的UPS可以在同一個LAN也可以在不同的LAN，甚至可以通過互聯(lián)網(wǎng)，納入網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)來管理UPS。

由于未來網(wǎng)絡(luò)的廣泛化和全球化，必然帶來網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，多種形式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接在一起。作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一部分，要求UPS能夠?qū)崿F(xiàn)在各種網(wǎng)絡(luò)平臺上的監(jiān)控，而且隨著Internet、Intranet和電子商務(wù)的超高速發(fā)展，用戶對網(wǎng)絡(luò)的可用性要求會越來越高，使UPS從對網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵設(shè)備的保護延伸至對整個網(wǎng)絡(luò)路徑的保護。

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