UPS不間斷電源系統(tǒng)優(yōu)化設計

王建國

摘 ?要：UPS（Uninterrupted Power System）即不間斷電源，是一種比較新穎的電源系統(tǒng)設備，該設備由電子電力變流裝置以及測控裝置組成，是變電站自動化系統(tǒng)的關鍵電源設備，同時也是電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠傳輸以及安全穩(wěn)定運行的基礎。UPS是企業(yè)重要的供電保障設備，但是該設備存在遇到的抗干擾能力不強，易于輸出中斷，部件工作不穩(wěn)定，易燒壞等缺點。再加上變電站在UPS設備上投入成本高，維護人員工作量大，不易實時掌握設備運行狀態(tài)和關鍵數(shù)據(jù)，設備事故預防能力低。針對工作中所出現(xiàn)的一系列問題，文章以提高UPS的可靠性為基本點，從UPS的結構裝置和形式來考慮其設計方案，證明了該系統(tǒng)優(yōu)化設計的合理可行性。

關鍵詞：可靠性;不間斷供電;優(yōu)化設計

中圖分類號：TQ056.8 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）26-0003-02

1 ?概 ?述

隨著綜合國力的提升、人民生活水平的提高，首要任務就是保證計算機信息網(wǎng)絡系統(tǒng)安全、可靠運行，信息業(yè)界乃至各行各業(yè)公認 UPS 不間斷電源的重要性。

實際上，UPS經歷過近四十年的發(fā)展，性能指標基本相似，不同點在于功能上的拓寬、創(chuàng)新及可靠性的高低。脈沖調制技術和功率晶體管及組合管、功率MOS管、IGBT等已被UPS普遍采用，從而降低了UPS的可聞噪聲，提高了效率和可靠性。UPS本身就是集數(shù)字與模擬技術，數(shù)字通訊技術、電力電子技術、微處理器及軟件編程等技術于一體的密集型電子產品。另外，隨著位處理器和計算機的應用的普及，將其引入UPS系統(tǒng)。研制只能UPS是UPS發(fā)展的必然趨勢。

2 ? UPS的分類

根據(jù)工作原理的不同，不間斷電源可以分為后備式、在線式與在線互動式三種。

2.1 ?后備式

斷電保護、自動穩(wěn)壓在不間斷電源的應用中，是最基礎最重要的功能，后備式均能達到這些功能的要求，它的結構十分簡單、較高的可靠性、較低的價格，因此在外部設計、微型計算機或POS機等多個領域廣泛應用。

2.2 ?在線式

在線式雖然結構相對復雜，但與其他兩種相比，可以持續(xù)零中斷地輸出純凈正弦波交流電，對于所出現(xiàn)的浪涌、尖峰等系列電源問題，均能有效快速解決;但是由于在線式需要的資金比較大，在關鍵網(wǎng)絡中心與設備等對電力要求嚴格的環(huán)境中才會使用。

2.3 ?在線互動式

在線互動式比后備式具有更加強烈的濾波能力、抵御市電干擾功能，其轉換時間在4 ms以內，在網(wǎng)絡設備（如：路由器、配備服務器）、電力工作環(huán)境相對困難的偏遠地區(qū)均能夠安全應用。當市電處于正常供電的情況下，通過市電濾波的回路作用之后，不間斷電源 （UPS） 同時分成兩個回路，一個是通過充電回路完成對電池組的充電，另一個是依次經過整流回路、逆變器的轉換，最后把電力提供給計算機。

3 ?系統(tǒng)優(yōu)化設計

3.1 ?主電路設計

本設計中整流器和充電器合二為一，這主要從功率大這個因素考慮的。為實現(xiàn)大功率整流和充電的需要，設計中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控橋式整流充電電路，從而大大提高了可靠性，降低了造價。

3.1.1 ?整流器

UPS電源裝置的重要組成之一是整流器，它具有以下兩個功能：能夠把市電發(fā)出的交流轉變?yōu)橹绷麟?，經過濾波操作后供給負載、逆變器;整流器在設計中的作用相當于一個充電器，給蓄電池提供所需要的充電電壓。根據(jù)梅蘭日蘭UPS不間斷電源Galaxy系列整流器電路的組成部件和工作原理，控制電路采用16位INTEL96系列的單片機，控制簡潔、方便可靠。主回路電路示意圖，如圖1所示。

3.1.2 ?逆變器

不間斷電源的交流電源裝置的核心是逆變器，穿插在負載、整流器兩裝置當中，利用蓄電池的輸出功能，經過轉換最終把直流電轉變成 標準的交流電，提供給負載。逆變器的功率單元采用IGBT組成的二相橋式逆變電路，IGBT驅單元采用日本富士公司生產的EXB841驅動芯片組成的驅電路，逆變控制系統(tǒng)設計采用冗余設計方案，兩套由INTEL公司生產的16位微處理器。

3.1.3 ?蓄電池

儲存電能的部分就是蓄電池。當處于正常供電的情況下，直流電源就會對蓄電池充電工作，實際上就是把電能轉換成化學能;當市電供電中斷的時候，不間斷電源就會把儲存在蓄電池中的化學能量轉變成電能（直流電），從而就能夠使逆變器正常工作。在該設計中選用一組20節(jié)的PBG200AH 12 V蓄電池。

3.1.4 ?充電器

生產生活中常用的充電電路有分級式和恒壓充電兩種形式。在線式UPS通常采用分級式充電電路，簡單來說就是在充電初期的時候，采用恒流形式充電;當蓄電池的端電壓充滿電壓之后，再采用恒壓充電形式，該系統(tǒng)優(yōu)化設計采用 UC3842 芯片。充電器實際上作為一個開關電源，只不過這種電源具有限制電流、穩(wěn)定壓力的功能，只要把相關參數(shù)設置合適，就可以使蓄電池達到滿意的狀態(tài)充電，這樣子就無形中增加了蓄電池的使用壽命。

3.2 ?控制電路設計

3.2.1 ?整流器控制電路

整流器本質是一個把將交流（AC）轉變?yōu)橹绷鳎―C）的整流裝置。在雙變換不間斷電源中，整流器既能夠給逆變器供電，又能夠給蓄電池進行充電，因此又可以把它叫作整流器/充電機。整流器對各部分基本要求如下：

①利用交流可以輸入電流的功能，整流器/充電機限定了電路中的電流，根據(jù)有關規(guī)定交流輸入的電流達到滿載的1.15倍;當發(fā)電機組在供電的時候，交流輸入電流與滿載輸入電流相平衡。

②整流器/充電機利用蓄電池充電電流限流電路，將蓄電池充電電流限制到不間斷電源額定輸出容量的15%;當發(fā)電機組在供電的時候，蓄電池的充電電流應限制至零。

③遠端溫度檢測器運行的時候，整流器/充電機能夠自動地進行調節(jié)蓄電池的浮充電壓使其維持在一般-5 mv/只/℃左右。

目前較先進的方法是采用SPWM高頻整流提高UPS的輸入功率因數(shù)，也就是從提升開關頻率的途徑，從根本上解決不間斷電源的諧波污染及無功缺額問題。

此外，另一種新興的技術——軟開關技術。這是一種可以降低開關損耗、提高開關頻率、減少開關硬力、提高工作可靠性的新興技術。目前也被部分不間斷電源廠家所采用。

3.2.2 ?逆變器控制電路

通常希望逆變器能得到一個電壓穩(wěn)定的電源，但是由于種種原因的影響，比如市電電壓變化頻繁，有時低于380 V（三相交流電輸入），甚至低達340 V;有時高于380 V，甚至高達420 V等，如果采用不可控整流電路，將使得整流器的直流輸出不能保持穩(wěn)定，只有采用可控整流電路，同時采用必要地負反饋環(huán)節(jié)，自動地調節(jié)脈沖相位，才能保證整流器的輸出電壓穩(wěn)定。

3.2.3 ?微處理器的選擇

現(xiàn)在市場上應用最為普遍的是8位單片機，但是在一些比較復雜的系統(tǒng)中，它就不得不讓位于16位單片機。采用的是數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processo動和大規(guī)模邏輯控制器CPLD對不間斷電源系統(tǒng)中的變換、控制、量測等環(huán)節(jié)進行全息控制，從控制器性能提升的角度對整套裝置的變流精度，控制準度進行提升，從而保證正弦波形的相似度非常接近同時由于這種先進的數(shù)字控制系統(tǒng)帶來的完備的保護邏輯，能夠是不間斷電源系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠地工作。

3.3 ?保護電路設計

對于完整的不間斷電源系統(tǒng)來說，應該具有過電壓保護、欠電壓保護、過載保護、過熱保護和短路保護等一系列措施。除了以上這些保護措施之外，在重要的UPS情況下，對防止電解液面過低和蓄電池溫度異?，F(xiàn)象的發(fā)生也應該有相應的保護。當電路處于超載（即為負載的1.5倍）的情況下，電源開關就能夠快速轉換到旁路狀態(tài)，直到負載正常時就會自動恢復到常態(tài);當處于嚴重超載（即為額定負載的2倍）情況下，不間斷電源就會馬上控制逆變器的輸出，自動切換到旁路狀態(tài)，同時前面的輸入空氣開關也有可能跳閘;當這些問題都解決之后，重新關閉開關、再開機，不間斷電源恢復到了原來的工作狀態(tài)。

4 ?結 ?語

在電力系統(tǒng)中，電力操作電源能夠為保護和控制設備提供獨立電源。因而，電力系統(tǒng)的直流操作電源要求特別高的可靠性，包括大型樞紐變電站、中小型變電站、核電站、水火力發(fā)電廠等，均要求直流供電系統(tǒng)的高可靠性。通過對UPS系統(tǒng)進行合理的優(yōu)化設計，達到各部件之間能夠可靠、協(xié)同地進行工作的效果，優(yōu)化冗余的配置方案，最終能夠使電力系統(tǒng)在直流操作電源系統(tǒng)的操作下能夠高效運行。

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