UPS电路组成和分类

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UPS电路组成和分类
   1、双变换电路

  传统式双变换UPS结构

  这是一种应用历史最长,人们认为性能最好的一种UPS,由于100%负载功率都通过两个变换器,故属于串联调整工作模式。它的特点是除整流器、逆变器外尚有输出隔离变压器,可以将负载与市电进行有效的隔离和缓冲。属于这种结构的UPS有IMEL、IMV Sitepro、Fenton,M.G和Exide(大容量档),SOCOMEC等等。由于这种UPS 在正常情况下一直是逆变器工作状态,所以它具备很多优点:除作单机运行外,还可并联增容和冗余。输出电压无三次谐波、对两个方向上的电压变化都有缓冲作用、负载电压上无直流分量、允许逆变器在很宽的直流电压范围工作、中线上无电流、UPS在多机并联时可共用一个电池组或各具有自己的电池组,容量可做得很大。

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  图1 传统双变换UPS输入电压电流波形图

  在很多重要部门,如电视台、新闻单位、石化、航空、铁路等等单位,以前大都倾向采用此类结构的产品。但是,由于在任何状态下,100%的负载功率都要经过两次转换,因此其整机效率不可能很高,通常10kVA的UPS的效率在80%左右;大于100kVA的,效率在90%左右。效率低不仅能源损耗大,还意味着整机功耗大,主要功率器件发热厉害,寿命降低,这必将影响整机的可靠性。并且,由于其输入端是AC-DC整流电路,100%的UPS输入功率要整流成直流,这就形成了此种电路的一个难以克服的缺点:对电网形成的电力公害比较严重。由于整机输入功率因数只有0.8,输入电流高次谐波可达30%,无功功率和谐波电流的危害非常严重(见图1)。这将影响同一电网的其它设备的正常运行,增大配电容量和运行成本。因此,如何解决传统双变换在线式UPS对电网的公害,已经成为电路研制者和生产厂家最为关注的问题。

  高频双变换结构

  这种结构UPS的出现解决了传统式双变换结构体积大、效率低和造价贵的问题。不同在于可以不用输出变压器,而且逆变器的脉宽调制频率比前者高,前者一般在10kHz以下,而这里一般在20kHz或以上。由于没有输出隔离变压器,因此也就没有隔离和缓冲的余地,对直流电压的要求也比前者严格:必须用两组电池,其输出电压直接受负载变化的影响;逆变器功率管在接近满载时比传统式容易坏;输出电压零线上有不易限制的谐波电流,因而零线电位不为零;在负载上有直流分量,容量也不易做大,一般到30kVA左右,当然也有的已做到30kVA以上。

  经济运行模式

  由于双变换电路即使在市电很稳定时,也要对其进行两次变换后才将电能输送给负载,无形中白白浪费了能量,不能充分利用市电。如果当市电稳定在某一指定范围时,不进行上述的两次变换,而市电电压直接通过旁路开关输送给负载(见图2),于是就节省了能量、提高了效率、降低了工作温度,从而提高了可靠性,如英国的高力UPS,法国的GALAXY 3000系列UPS等等。这种方案一问世也赢得了不少重要用户,不过这时的供电质量就不如传统的双变换好了。

  2、三端口单变换电路

  由于这种电路结构问世比双变换电路晚,且有的用户也很少接触三端口UPS,对其了解甚少,认为是单变换器工作,三端口就不好了。其实三端口单变换只是UPS的另一种电路型式,是为了解决传统双变换UPS的低效率而问世的。它在主电路中串联有工频电感,逆变器也是双向工作,输入输出电压的关系是Vin-VL=Vout,三者之间有相位差(见图3)。三端口单变换电路一样也有在线和离线工作模式之分,处于在线工作方式时,随时监控并参与对输出电压的调整,保证输出电压稳定,市电失压时,输出电压切换时间为零。 90年代初,FISKAR公司就推出了DELTEC 8/9000在线单变换UPS系列,功率从2.4kVA做到56kVA,其输出电压稳定度也同样做到了±2%,其它常规指标也和传统式双变换电路一样,而美国的BEST UPS则将功率做得更大。其缺点就是由于输入输出电压之间是通过改变相位关系来调整的,所以输入功率因数太低,并且输出电压稳定度一般做得都不高。

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  图2 带旁路开关的双变换UPS电路图

  在线互动式单变换结构

  在线互动式单变换UPS是典型的三端口结构,其工作模式属于并联调整范畴。主要应用对象是对交流电压的精度要求不太高计算机的。在线互动式单变换UPS省去了输入整流器和充电器,充电器由称为双向变换器的逆变器充当,其工作方式类似于上述的经济运行模式,其效果也是在线式的,即当市电在一定范围中变化时,负载主要由经过粗稳和滤波的市电提供,只有当市电异常时,才由逆变器全力向负载供电,这时的功能和双变换结构一样。这种结构以APC Smart和Matrix系列为代表,该系列有着很强的网络功能和可靠性,电磁兼容功能比那些未通过相应标准的双变换UPS好得多。鉴于在线互动式单变换结构的优越性,目前已有不少做双变换UPS的制造商也增加了在线互动式单变换结构的UPS品种。由此可以看出单变换UPS结构的生命力,其主要的不足就是输出电压稳定度不如双变换高,对输入功率因数也无调整作用。

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