ups不间断电源

ups不间断电源 电力电子技术课程设计 一、UPS电源简介 “不间断供电电源”，UPS是英文Uninterruptible Power Supply的缩写，是一种含有储能装置(常见的是蓄电池)，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压、突波、杂讯等现象，使计算机系统‎‎运行更加安全可靠。现在已经被广泛应用计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，并且正在迅速地走入家庭。 UPS接入市电。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给终端设备(相对于UPS而言，我们将这些终端设备称为负载)使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向自己的内置电池充电;当市电中断(例如停电)时, UPS 立即将内置电池的电能，通过逆变转换的向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件系统不受损坏。 UPS 电源系统由4部分组成:整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求)，输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流电能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 二、单相全桥式串并联补偿UPS 2.1串并联补偿方式UPS 所谓串并联补偿方式UPS就是一种双变换电路,但与传统的双变换UPS是不同的。串并联补偿方式UPS的两个变换器都是逆变器,两个逆变器以串并联的形式组合而成的,一个工作在电压源状态,另一个工作在电流源状态,两个逆变器的顺序和工作方式是可以互换的,当逆变器1工作在整流状态时,逆变器2就工作在逆变状态;当当逆变器1工作在逆变状态时,逆变器2就工作在整流状态,而且电能也可以双向流动,而传统双变换UPS的电能是不可以双向变换的。 2.2单相全桥式串并联补偿UPS结构 单相全桥式串并联补偿UPS如下图所示: 1 电力电子技术课程设计 图 2-1单相全桥式串并联补偿UPS 2 电力电子技术课程设计 2.3单相全桥式串并联补偿UPS各部分功能 20世纪90年代初期，出现了串并联补偿式UPS。这种UPS虽然也是一种双变换电路，但于传统的双变换UPS不同。传统UPS的两个变换器:第一个工作在整流状态，第二个工作在逆变状态，顺序和工作方式都是不可变的。而串并联补偿式UPS的两个变换器都是逆变器，以串并联的形式组合而成。一个工作在电压源状态，另一个工作在电流源状态。两个逆变器的顺序和工作方式是可以互换的。当逆变器Ι工作在整流状态时，逆变器Π就工作在逆变状态;当逆变器Π工作在整流状态时，逆变器Ι就工作在逆变状态。而且电能也可以实现双向流动，而传统的双变换UPS的电能是不可以双向流动的。串并联补偿式UPS除了与市电电能质量综合补偿器一样，对市电电压的波动、谐波、对负载的无功电流、谐波电流、不对称电流进行补偿，阻断市电与负载之间的谐波相互干扰之外，还对市电电源的短时停电进行补偿，以保证市电电源成为优质的不间断电源。 单相串并联补偿式UPS的原理电路如图所示。在电路中，除了单相全桥逆变器Ι和逆变器Π之外，还包括有交流静态开关、“基准正弦电压”发生器、交流低通滤波器LF1CF、旁路开关及直流滤波电容C。 及和蓄电池等1LF2CF2d 各部分的功能如下: 逆变器Ι:逆变器Ι通过其输出变压器Tr在电路输出端与负载串联，其容量大约只有UPS标称容量的20%。它的主要作用是作为串联电力有源滤波器使用，工作在受控电流源状态，用来消除市电输入电流中的无功与谐波分量，并对市电电压的波动进行补偿(一般为?15%)，具有电力有源滤波器和交流电压净化稳压电源的双重功能。变压器Tr既是补偿变压器，也是补偿电流的变流器。其具体作用是: (1) 消除市电输入电流中的无功和谐波分量，使市电输入功率因数等于1; (2) 与逆变器Π一起对市电输入电压的波动进行补偿，使负载上的电压稳定在?1% 以内; (3) 当市电电压高于基准电压时向蓄电池充电; (4) 当市电电压波动时，控制输入与输出规律的平衡。 逆变器Π:逆变器Π通过其低通滤波器LF2CF2，在电路的输出端与负载并联，其容量等于UPS的标称容量。它的主要作用是作为并联式净化稳压电源使用，相当于一个受控正弦波电压源，用来控制UPS的输出电压成为稳定纯净的正弦波电压，并向负载提供无功与谐波电流。其作用是: (1) 保证UPS的输出电压为稳定纯净的正弦波电压，稳定精度为?1%，波形失真 度小于?3%; (2) 向负载提供无功与谐波电流; (3) 当市电电源中断时，向负载提供?100%的功率; (4) 当市电电压低于基准正弦电压时，向蓄电池充电。 交流静态开关:交流静态开关由两个反并联晶闸管组成。其中旁路开关在市电正常时是关断的，当输出过载或逆变器Ι或Π故障时，旁路开关自动投入工作以保证向负载正常供电。主静态开关在市电正常时是导通的，当市电电源中断时自动关断，以防止逆变器Π输出的电流向市电倒灌。 基准正弦电压发生器:这是一个市电同步的交流电压发生器，可以采用传统UPS所使用的标准电路。 低通滤波器:低通滤波器L要用来消除市电与逆变器Ι中的高次谐波，同时LF1主F1CF1 也是市电与逆变器Π并联供电的平衡电感;逆变器Π的输出低通滤波器LF2CF2主要用来滤除逆变器Π的高次谐波。同时，LF2也是逆变器Π与市电并联供电的平衡电感，同时也是 3 电力电子技术课程设计 逆变器Π开关整流工作时的Boost储能电感。 直流电容Cd:直流电容Cd是逆变器Ι和Π的直流滤波电容和减小蓄电池动态阻抗的并联电容，同时也是逆变器Ι的储能电容。 蓄电池:是市电电源中断时的备用电源。 三、电流补偿 逆变器?是有源串联式滤波器，其作用是为负载提供其所需的无功与谐波电流，使市电的输入电流成为与市电电压同相位的正弦波有功电流，使市电输入到负载的功率因数等于1.为此必须控制逆变器?，使其工作在受控正弦波电流源状态。 逆变器?的无功与谐波电流的检测电路和控制电路如图3,1所示。 ,图3,1 的检测电路 i,i，icqh 当负载中含有电阻、电感和非线性负载时，负载电流滞后于市电电压，并产生谐波 i畸变，即负载电流将包含无功电流‎‎和谐波电流。的傅立叶级数示式为 iiiqlhl , i,Isin(,t，,)，Isin(n,t，,)l11,hmnn2, ,n式中，n为谐波次数，为基波电流滞后于电压的相位角，为n次谐波电流滞后于电压,1 的相位角，注脚1表示基波。 令 i,Icos,,cos,t,Isin,t为基波有功电流 p11pm i,Isin,,cos,t,Icos,t为基波无功电流 q11qm , 为谐波电流 i,Isin(n,t，,),hhmnn2, i,i，i，i则 lpqh i逆变器?对负载无功和谐波电流进行补偿的是:将负载电流中的无功和谐l 4 电力电子技术课程设计 ,波电流从中分离出来，用作为逆变器?的调制波指令值信号，对逆变器i，iii,i，iqhlcqh ,?进行PWM控制，在其输出端得到与波形和数值系统的补偿‎‎电流并输入到负载，使市iicc 电的输入电流。是市电输入的有功电流，与市电电压i,i,i,(i，i，i),(i，i),iilcpqhqhpp 同相位，使市电的输入功率因数等于1。 ,i,i，icqh电流指令值信号的检出电路如图3,1所示。其中“基准正弦波电压”可以 ?Ud用专用的电路产生并与市电电压同步。为Ud和Udr之间的差值，用于控制逆变器?对 i，iqh市电电压进行补偿时维持直流电压Ud恒定用的。在分析的检出原理时可认为为0。 将负载电流加到图3,1所示检测电路的输入端，经过低通滤波器?律i,i，i，ilpqh 处谐波电流，将剩下的基波电流与和市电电压的基准正弦波电压在乘法器?相乘后得到 F,(i，i),upqr III1m1m1m,Ucos,,Ucos,,cos2,t，Usin,,sin2,tm1m1m1222 可以得到直流分量为 F经过含有积分器的低通滤波器?滤出F中的二次谐波分量后， I1mg,KUcos, m12 式中，K为低通滤波器?的放大倍数。 再经乘法器?相乘后得 I,1m,,i,g,u,KUcos,Usintprm1m2 I21m,KUcos,,sin,tm12 12KU,1令，则可得 m2 i,Icos,,sin,t p1m1 ii从负载电流中减去即可得 pl i,i,(i，i，i),i,i，i lppqhpqh ,i,i，i用作为逆变器?的调制波指令值信号，按照三角波比较PWM控制方式进行控制cqh i,i，ii,i,i,(i，i，i),(i，i),i，即可得供给负载，是市电的输入电流，功率cqplcpqhqhp因数为1。 5 电力电子技术课程设计 四、电压波动补偿 当市电电压波动时，由于逆变器2与市电电源在UPS电路输出端的A点处并联后，共同向负载供电，这不仅仅增加了供电的可靠性，也使负载上的电压在逆变器2的控制下，uL保持稳定不变。因此，UPS的输入端与输出端之间就会出现电压差，这个电压差是由uu,Lr 于市电电压的波动引起的。 蓄电池电压的变化信号，它是由蓄电池电压通过与其基准电压进行比U,UUUdrddd 较产生的。用来控制对市电电压波动进行补偿时，使市电输入功率与负载所需功率达,Ud 到平衡。由于市电输入电流与市电电压同相位，因此在逆变器1的控制电路中，加入ii,p 控制信号是可以实现对市电电压波动进行补偿的。反馈信号是直流信号，它反,U,Udd映的是市电输入有功功率的变化。是与一致的，故将加到了检测电路的信号iii，,Upphd g上:一则g也是直流信号便于加入;二则是g代表的是市电输入电流。是与市电电压u同相位的，故通过由控制g就可以达到对市电电压波动进行补偿的目的。 ,Ud UU,L4.1 的补偿 当市电电压时，逆变器1应在其输出变压器的次级产生一个负补偿电压uuu,,Lr ，以对市电电压进行负补偿，保持负载电压不,,,,uuu()uuuuuuu,,,,,,(),rLrrr,变。 由于市电电压的升高，使UPS电路中A点的电压上升，由于逆变器2的控制电路为了保持uu,不变，就会调节逆变器2，使其输出电压u降低。其后果是uu,，并迫使LrLab2ab2 逆变器2工作在整流状态，市电通过逆变器2向蓄电池充电，蓄电池电压上UU升。当上dd UUU，,,,U升到时，产生出+通过信号g去控制逆变器1，使其在输出变压器次级产dddrd z'ii,T,uuuu,,T生一个负补偿电压，使。假定次级的阻抗为，市电输入电流与pcr0rc0r zi'i,u市电电压同相位，使与或u的方向相反，补偿电压也与u的方向相反。所以，市c0 T,,，,uziuu'电电压u加到的次级电压，使逆变器1处于整流状态。对于逆变器Tcc00r uuu,，,,(11%)2，由于补偿后负载上的电压，故也处于整流状态，使蓄电池电压Lrab2 UUuMUwt,sinu上升，当上升到某一值时，使逆变器2的输出电压上升 当上abd21ddab2 6 电力电子技术课程设计 升到时，逆变器2由整流变换到逆变状态。此时，逆变器1吸收功率，逆变器2输uu,abL2 出功率。当吸收功率等于输出功率时达到平衡。由于蓄电池在逆变器1和2都工作于整流状态时暂存了一些电能，所以电压偿前稍高一些，高出的部分用来维持补偿电压的,uc0存在。 市电电压时 uuu,,Lr 图4-3 uuu,,Lr PUI,当市电电压时，市电输入功率，负载所需的功率。对同一个uuu,,PUI,LrLLL负载，由于，故使市电畭电流I增大，所以。多余的功率以UUU,,PP,,,,PPPLrLL电流的形式由逆变器2吸收后对蓄电池进行充电。由于U的升高，A点的电压也升高，上 ()UU,r升率为。逆变器2的控制电路为了保持负载上的电压稳定不变，迫使逆变器2处Ur 于整流状态，吸收市电电源多供给的功率，并使蓄电池充电，U上升。根据功率相等的方d UU,UUU,ddrrU法，的上升率应等于市电电压的上升率，即1，当电压上,,,,,UddUUUdrrr UUU，,,，,UT升到时，控制逆变器1，使其在变压器次级产生负补偿电压，即drddrdr ,,,,uUUwt sin,u，的方向与市电输入电流i或电压u的方向相反，故codmco usin(1) uuuUUwtuUuuuu,,,,,,,,,,, codmdrrrur 此式表明市电电压的上升得到了完全的补偿。补偿后，蓄电池电压仍然维持在UU，,,,,,uUUwt sin，以保持负补偿电压的存在。 codmdd UU,L4.2 的补偿 7 电力电子技术课程设计 当市电电压时，此时逆变器1应在其输出变压器次级产生一个正补偿电uuu,,TLrr压，以对市电电压进行正补偿，保持负载电压，,，,uuu()uuuuuuu,，,，,,()cr0Lrr,不变。 由于市电电压降低，使UPS电路中A的电压下降，逆变器2的控制电路为了保持uu,Lr不变，就会调节逆变器2使其输出电压上升。其后果是使，并迫使逆变器2工uuu,Lab2ab2 作在逆变状态，蓄电池电压下降，当下降到时，通过信号g去UUUUU,,,,,Udddrddd控制逆变器1，使其在输出变压器的次级产生一个正电压‎‎，使。假定的次T，uuuu，,,,rr zi'i级阻抗为z'，市电输入电流与市电电压同相位，则与和u的方向相反 ，补偿ii,Tpr 电压与u方向相同。所以市电电压u加到次级的电压，使逆变器1，uT,,,,uuziu',Tcc00r 处于逆变状态。对于逆变器2，由于补偿后负载上的电压，故也处uuuu,,,,(11%)Lrrab2于逆变状态，使蓄电池电压下降。当下降到某一值，使逆变器2 的输出电压下UUdd 降到稍小于负载电压时，逆变器2由逆变转换到整流状态。此时，逆uMUwt,sinuabd21L 变器2吸收功率，逆变器1输出功率。当输出功率等于吸收功率时达到平衡。由于蓄电池在逆变器1和2都处于逆变状态时放出了一些电能，所以蓄电池电压比补偿前稍低一些，降低的部分用来维持补偿电压的存在。 ，u, 当市电电压时uuu,, Lr uuu,, 图4-2 Lr PUI,uuu,,PUI,当市电电压时， 市电输入功率，负载所需的功率。对于同LrLLL 8 电力电子技术课程设计 一个负载，由于故使市电输入电流I减小，所以。不足的功率由UUU,,PP,LrL 蓄电池通过逆变器2以电流的形式来补足，蓄电池放电。由于U的降低，A点电,,,PPPL ()UU,r压下降，下降率为。为了保持负载电压稳定不变，逆变器2的控制电路迫使逆Ur 变器2处于逆变状态，以电流形式向负载供给不足的功率，蓄电池电压下降。根据功率相等的方法，的下降率应等于市电电压的下降率，即 当下降到时，控制逆变器1，使其在输出变压次级产生一个正补偿电压的方向与市电。Ud UU,UUU,drdr输入电流或电压u的方向相同，故 1,,,,,UdUUUdrrr 当下降到时，控制逆变器1，使其在输出变压器次级产生一个UUUU,,,,,Udrddrdd 正补偿电压.的方向与市电输入电流i或电压u的方向相同，故，,，,uUUwt sin，ucodmco u sin(1)uuuUUwtuUuuuu，,，,,，,,，,, codmdrrrur 。补偿后，蓄电池的电压仍然维持在，此式表明市电电压的下降得到了完全的补偿 以保持补偿电压的存在。 五、功率补偿 5.1 逆变器Ι的功率补偿 逆变器Ι在电路的输入端通过变压器Tr次级与负载串联，补偿的是市电电压的波动。由于市电的输入电流和市电的输入电压同相位，即逆变器Ι补偿的知识幼功功率。 假定市电输入电压的有效值为U，负载电压的有效值为Ul=Ur，则市电电压与负载电 uu压有效值之比就代表了市电电压的波动范围的比例。当补偿到,1时，令补偿后负载uull 上的功率和补偿前负载上的功率之比为K，则K代表的是补偿后的负载上的功率比补偿前的 u1k,1,k,功率增大的比例，即 uulul 逆变器Ι补偿的功率与负载功率之比为K—1。由于逆变器Ι补偿的只是K—1中的有功功率，所以逆变器Ι补偿的有功功率与负载功率之比为 p11k,(,1)cos,,(,1)cos, L1USLUL cos,式中，P1为逆变器Ι补偿的有功功率，SL为负载的视在功率，为负载的功率因数。 L 5.2 逆变器Π的功率补偿 9 电力电子技术课程设计 在电路的输出端，逆变器Π通过LF2与负载并联，主要用来稳定负载上的电压及对负载所需的无功和谐波电流进行补偿，即它既补偿了有功功率，也补偿了无功功率。 当只补偿无功电流和谐波电流时，补偿电流IL为 F 22 I,I，ILFhq 式中，IH为负载谐波电流的有效值，IQ为负载无功电流的有效值。 对于无功和谐波电流的补偿，补偿的是无功功率q，它与负载视在功率之比为 2 22II，IqIhq22h2LF ,,,()，(1,cos,)LSIIILLLL 逆变器Π为稳定负载的电压而补偿的有功功率与负载视在功率之比和逆变器Ι相同，即 p12 ,(,1)cos,1USLUL 因此，逆变器Π补偿的视在功率为 IS12222h2 ,()，(1,cos,)，(,1),cos,LLUSILLUL 10 电力电子技术课程设计 六、 总结 UPS接入市电。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给终端设备(相对于UPS而言，我们将这些终端设备称为负载)使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向自己的内置电池充电;当市电中断(例如停电)时, UPS 立即将内置电池的电能，通过逆 0V交流电，使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件变转换的方法向负载继续供应22 系统不受损坏。 所谓串并联补偿方式UPS就是一种双变换电路,但与传统的双变换UPS是不同的。串并联补偿方式UPS的两个变换器都是逆变器,两个逆变器以串并联的形式组合而成的,一个工作在电压源状态,另一个工作在电流源状态,两个逆变器的顺序和工作方式是可以互换的,当逆变器1工作在整流状态时,逆变器2就工作在逆变状态;当当逆变器1工作在逆变状态时,逆变器2就工作在整流状态,而且电能也可以双向流动,而传统双变换UPS的电能是不可以双向变换的。 11 电力电子技术课程设计 七、 参考文献 [1,王兆安 黄俊 《 电力电子技术》机械工业出版社.2007.3 [2,刘凤君 《现代逆变技术及应用》电子工业出版社.2006.9 现代电力电子技术》机械工业出版社.2006.1 [3] 林渭勋 《 [4] 杨荫福 段善旭 朝泽云 《电力电子装置及系统》清华大学出版社.2006.9 [5]周克宁 《电力电子技术》机械工业出版社.2006.1 12