UPS工作原理和UPS配置類型

不間斷電源設備(UPS)適用于向用戶的關鍵設備，如互聯網數據中心、銀行的清算中心和通存通取網控系統、證券交易及期貨貿易系統、民航和鐵路的售票系統、衛星地面站及民航的航管調度系統、冶金及大規模集成電路的流水生產線管理系統、財稅信息系統、氣象和地震預報及監控系統等提供高質量電壓、頻率、波形的無時間中斷的交流電源。

UPS的工作原理
UPS是由電力變流器(整流器、逆變器)、轉換開關(電子式或機械式)、儲能裝置(如蓄電池)及控制系統等組成，在輸入電源故障時維持負載電力連續性的電源設備。通常采用的是在線式UPS。它首先將市電輸入的交流電源變成穩壓直流電源，供給蓄電池和逆變器，再經逆變器重新被變成穩定的、純潔的、高質量的交流電源。它可完全消除在輸入電源中可能出現的任何電源問題(電壓波動、頻率波動、諧波失真和各種干擾)。其工作原理框圖見圖1。


圖1 在線式UPS工作原理框圖

UPS的配置類型
根據用電設備對供電可靠性、連續性、穩定性和電源諸參數質量的要求，不間斷電源設備(UPS)可分為以下幾種配置類型：

1、單臺UPS
因只有一臺不間斷電源設備，一般用于高的場所，系統容量較小、可靠性要求不高的場所。

1)無旁路的單臺UPS
①逆變器和蓄電池共用一個整流器的單臺UPS。負載總是由逆變器供電，而逆變器由交流輸入經整流器或由蓄電池供電(見圖2)。整流器必須是可控的以便蓄電池再充電，并使蓄電池保持在充電狀態。


圖2 逆變器和蓄電池共用一個整流器的單臺UPS

在交流輸入電源故障時，由蓄電池在直流電壓不斷降低的情況下供電，直至低到不能滿足逆變器輸出要求為止。蓄電池的類型和容量將決定系統在沒有交流輸入電源供電時，尚能運行的時間值。
 
UPS的輸入、輸出可有不同的頻率、 相數和電壓等級。 其設計的輸出特性能滿足比許多一般電源更嚴格的技術要求，也即更窄的電壓和頻率允差、更小的瞬態偏差、更小的瞬態偏差，以及更好地輸入電源故障保護等。

②有獨立蓄電池充電器的單臺UPS
整流器作為逆變器輸入電源和給蓄電池充電的要求可能互相矛盾，所以UPS可設計成具有獨立的蓄電池充電器(見圖3)。從使用者的觀點看，上述對單臺UPS的說明也適用于這種系統


圖3 有獨立蓄電池充電器的單臺UPS
注：1、交流輸入端子可連接在一起；2、管模塊、品閘管或開關。

③可輸出直流和交流的單臺UPS。某些用途既需要有不間斷的直流電源，又需要不間斷的交流電，并可能是組合設備(見圖4)。


圖4 可輸出直流和交流的單臺UPS

2)帶旁路的單臺UPS.
①雙變換(在線式UPS)。在正常運行方式下，主要由整流器/逆變器組合向負載供電，同時充電器給蓄電池組浮充電，保證蓄電池組滿容量。當交流輸入供電超出UPS預定允差，UPS單元進入儲能供電運行方式，由蓄電池/逆變器組合，在儲能供電時間內，或者在交流輸入電源恢復到UPS設計的允差之前(按兩者之較短時間)，繼續向負載供電。逆變器始終處于工作狀態，確保不間斷輸出，不存在轉換時間問題。在整流器/逆變器發生故障、負載電流瞬變(沖擊電流或故障電流)或尖峰負載時，UPS單元可借助UPS開關(可能是電子式或機電式開關)投切旁路，改善負載電力的連續性，這時，負載由主電源或備用電源經旁路供電，見圖5。轉換開關一般采用靜態開關，轉換時間達微秒級。在線式UPS結構較復雜，有很寬的輸入電壓范圍，輸出電壓穩定、精度高，輸出波形為交流正弦波。

②互動式UPS。在正常運行方式下，由合適的電源，通過并聯交流輸入和UPS逆變器向負載供電。逆變器或者電源接口的操作是為了調節輸出電壓和/或給蓄電池充電。當交流輸入供電超出UPS預定允差，逆變器和蓄電池將在儲能供電方式下保持負載電力的連續性，并由電源接口切斷交流輸入電源，以防止逆變器反向饋電。UPS單元在儲能供電時間內，或者在交流輸入電源恢復到UPS設計的允差之前(按兩者之較短時間)，運行于儲能供電方式之下。在整流器/逆變器發生故障、負載電流瞬變(沖擊電流或故障電流)或尖峰負載時，UPS單元可借助UPS開關投切旁路，改善負載電力的連續性，這時，負載由主電源或備用電源經旁路供電，見圖6。其結構簡單，有較寬的輸入電壓范圍，輸出電壓較穩定，輸出波形為模擬正弦波，轉換時間小于4ms，如市電旁路轉換開關采用靜態開關，則轉換時間可以達到微秒級。


圖6 帶旁路的UPS互動運行

③后備式(離線式)UPS。在正常運行方式下，負載由交流輸入電源通過旁路直接供電，可能需結合附加設備(如鐵磁諧振變壓器或自動抽頭切換變壓器)對供電進行調節。當交流輸入供電超出UPS預定允差，啟動逆變器而使UPS單元轉入儲能供電運行方式，并使負載直接或通過UPS開關轉移到逆變器。在儲能供電時間內，或者在交流輸入電源恢復到UPS預定允差之內和負載轉換回來之前的時間內(按兩者之較短時間)，由蓄電池/逆變器組合來保持負載功率的連續性，見圖7。其結構簡單，輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩定性較差，輸出波形為交流方波，轉換時間一般為10ms。


圖7 UPS無源后備運行

增設旁路應滿足如下要求：
①輸入和輸出頻率通常應相同；
②如果電壓值不同，則需要一個旁路變壓器。對于某些負載，為了保持負載電力的連續性，需使UPS與旁路的交流輸入同步。

(2)并聯UPS：可組成大型UPS供電系統，供電可靠性高，運行比較靈活，便于檢修。
1)無旁路的并聯UPS。如果使用并聯UPS單元(見圖8)并聯局部單元(見圖9)應把系統作為一個UPS看待。


圖8 并聯的UPS(UPS單元并聯)
注：輸入端子可連接在一起


圖9 局部并聯的UPS(只逆變器并聯)

2)帶旁路的并聯UPS。當并聯UPS作為單臺UPS運行時，則其運行情況與帶旁路的單臺UPS運行情況相同，其配置圖形見圖10。


圖10 帶旁路的并聯UPS

注：輸入端子可連接在一起。

(3)冗余UPS：由于增設了一個或幾個不間斷電源設備作為備用，從而確保了供電系統的連續性、可靠性，對已出現的事故有冗余處理措施。
 
1)備用冗余UPS。
2)當運行的UPS1單元故障時，備用UPS投入運行，將負載全部接受過來，并斷開故障的UPS。
①無旁路的備用冗余UPS(見圖11)。本系統保留了(1)的各項特性，它提供了一種改善負荷電力連續性的一個方法。


圖11 無旁路的備用冗余UPS
注：輸入端子可連接在一起。

②帶旁路的備用冗余UPS(見圖12)。為了更進一步改善如上述(1)中帶旁路的單臺UPS所帶負載電力的連續性，UPS可包含一個旁路電路，此外，可使負載從一個UPS轉移到另外一個。旁路具有低的阻抗，能流過滿負載電流而輸出電壓無明顯下降。


圖12 帶旁路的備用冗余UPS
注：輸入端子可連接在一起。

3)并聯冗余UPS：并聯冗余UPS由兩個或多個共同分擔負載電流的單機UPS單元組成，各單機UPS系統的輸出并聯連接到一個公共的配電系統。系統一般按N+1個單機UPS系統配置，即并聯冗余UPS的總容量超出負載所需容量的值應至少等于一個UPS單元的容量，如此，斷開其中的一個UPS單元，其余UPS仍可保持負載電力的連續性。

①無旁路并聯冗余UPS(見圖13)。如果一個UPS單元故障，它必須被隔離，以避免干擾其他UPS單元，使剩余的UPS單元得以連續向全部負載供電。此外，在這些系統中要求分擔負載的各電路必須同步。
 

注：輸入端子可連接在一起。
 

②帶旁路的并聯冗余UPS。如上述那樣的系統，可在周圍連接一個或多個旁路，以提供檢修的便利。

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