UPS工作原理和UPS配置类型

不间断电源设备(UPS)适用于向用户的关键设备，如互联网数据中心、银行的清算中心和通存通取网控系统、证券交易及期货贸易系统、民航和铁路的售票系统、卫星地面站及民航的航管调度系统、冶金及大规模集成电路的流水生产线管理系统、财税信息系统、气象和地震预报及监控系统等提供高质量电压、频率、波形的无时间中断的交流电源。

UPS的工作原理
UPS是由电力变流器(整流器、逆变器)、转换开关(电子式或机械式)、储能装置(如蓄电池)及控制系统等组成，在输入电源故障时维持负载电力连续性的电源设备。通常采用的是在线式UPS。它首先将市电输入的交流电源变成稳压直流电源，供给蓄电池和逆变器，再经逆变器重新被变成稳定的、纯洁的、高质量的交流电源。它可完全消除在输入电源中可能出现的任何电源问题(电压波动、频率波动、谐波失真和各种干扰)。其工作原理框图见图1。


图1 在线式UPS工作原理框图

UPS的配置类型
根据用电设备对供电可靠性、连续性、稳定性和电源诸参数质量的要求，不间断电源设备(UPS)可分为以下几种配置类型：

1、单台UPS
因只有一台不间断电源设备，一般用于高的场所，系统容量较小、可靠性要求不高的场所。

1)无旁路的单台UPS
①逆变器和蓄电池共用一个整流器的单台UPS。负载总是由逆变器供电，而逆变器由交流输入经整流器或由蓄电池供电(见图2)。整流器必须是可控的以便蓄电池再充电，并使蓄电池保持在充电状态。


图2 逆变器和蓄电池共用一个整流器的单台UPS

在交流输入电源故障时，由蓄电池在直流电压不断降低的情况下供电，直至低到不能满足逆变器输出要求为止。蓄电池的类型和容量将决定系统在没有交流输入电源供电时，尚能运行的时间值。
 
UPS的输入、输出可有不同的频率、 相数和电压等级。 其设计的输出特性能满足比许多一般电源更严格的技术要求，也即更窄的电压和频率允差、更小的瞬态偏差、更小的瞬态偏差，以及更好地输入电源故障保护等。

②有独立蓄电池充电器的单台UPS
整流器作为逆变器输入电源和给蓄电池充电的要求可能互相矛盾，所以UPS可设计成具有独立的蓄电池充电器(见图3)。从使用者的观点看，上述对单台UPS的说明也适用于这种系统


图3 有独立蓄电池充电器的单台UPS
注：1、交流输入端子可连接在一起；2、管模块、品闸管或开关。

③可输出直流和交流的单台UPS。某些用途既需要有不间断的直流电源，又需要不间断的交流电，并可能是组合设备(见图4)。


图4 可输出直流和交流的单台UPS

2)带旁路的单台UPS.
①双变换(在线式UPS)。在正常运行方式下，主要由整流器/逆变器组合向负载供电，同时充电器给蓄电池组浮充电，保证蓄电池组满容量。当交流输入供电超出UPS预定允差，UPS单元进入储能供电运行方式，由蓄电池/逆变器组合，在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前(按两者之较短时间)，继续向负载供电。逆变器始终处于工作状态，确保不间断输出，不存在转换时间问题。在整流器/逆变器发生故障、负载电流瞬变(冲击电流或故障电流)或尖峰负载时，UPS单元可借助UPS开关(可能是电子式或机电式开关)投切旁路，改善负载电力的连续性，这时，负载由主电源或备用电源经旁路供电，见图5。转换开关一般采用静态开关，转换时间达微秒级。在线式UPS结构较复杂，有很宽的输入电压范围，输出电压稳定、精度高，输出波形为交流正弦波。

②互动式UPS。在正常运行方式下，由合适的电源，通过并联交流输入和UPS逆变器向负载供电。逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和/或给蓄电池充电。当交流输入供电超出UPS预定允差，逆变器和蓄电池将在储能供电方式下保持负载电力的连续性，并由电源接口切断交流输入电源，以防止逆变器反向馈电。UPS单元在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前(按两者之较短时间)，运行于储能供电方式之下。在整流器/逆变器发生故障、负载电流瞬变(冲击电流或故障电流)或尖峰负载时，UPS单元可借助UPS开关投切旁路，改善负载电力的连续性，这时，负载由主电源或备用电源经旁路供电，见图6。其结构简单，有较宽的输入电压范围，输出电压较稳定，输出波形为模拟正弦波，转换时间小于4ms，如市电旁路转换开关采用静态开关，则转换时间可以达到微秒级。


图6 带旁路的UPS互动运行

③后备式(离线式)UPS。在正常运行方式下，负载由交流输入电源通过旁路直接供电，可能需结合附加设备(如铁磁谐振变压器或自动抽头切换变压器)对供电进行调节。当交流输入供电超出UPS预定允差，启动逆变器而使UPS单元转入储能供电运行方式，并使负载直接或通过UPS开关转移到逆变器。在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS预定允差之内和负载转换回来之前的时间内(按两者之较短时间)，由蓄电池/逆变器组合来保持负载功率的连续性，见图7。其结构简单，输入电压范围窄，输出电压稳定性较差，输出波形为交流方波，转换时间一般为10ms。


图7 UPS无源后备运行

增设旁路应满足如下要求：
①输入和输出频率通常应相同；
②如果电压值不同，则需要一个旁路变压器。对于某些负载，为了保持负载电力的连续性，需使UPS与旁路的交流输入同步。

(2)并联UPS：可组成大型UPS供电系统，供电可靠性高，运行比较灵活，便于检修。
1)无旁路的并联UPS。如果使用并联UPS单元(见图8)并联局部单元(见图9)应把系统作为一个UPS看待。


图8 并联的UPS(UPS单元并联)
注：输入端子可连接在一起


图9 局部并联的UPS(只逆变器并联)

2)带旁路的并联UPS。当并联UPS作为单台UPS运行时，则其运行情况与带旁路的单台UPS运行情况相同，其配置图形见图10。


图10 带旁路的并联UPS

注：输入端子可连接在一起。

(3)冗余UPS：由于增设了一个或几个不间断电源设备作为备用，从而确保了供电系统的连续性、可靠性，对已出现的事故有冗余处理措施。
 
1)备用冗余UPS。
2)当运行的UPS1单元故障时，备用UPS投入运行，将负载全部接受过来，并断开故障的UPS。
①无旁路的备用冗余UPS(见图11)。本系统保留了(1)的各项特性，它提供了一种改善负荷电力连续性的一个方法。


图11 无旁路的备用冗余UPS
注：输入端子可连接在一起。

②带旁路的备用冗余UPS(见图12)。为了更进一步改善如上述(1)中带旁路的单台UPS所带负载电力的连续性，UPS可包含一个旁路电路，此外，可使负载从一个UPS转移到另外一个。旁路具有低的阻抗，能流过满负载电流而输出电压无明显下降。


图12 带旁路的备用冗余UPS
注：输入端子可连接在一起。

3)并联冗余UPS：并联冗余UPS由两个或多个共同分担负载电流的单机UPS单元组成，各单机UPS系统的输出并联连接到一个公共的配电系统。系统一般按N+1个单机UPS系统配置，即并联冗余UPS的总容量超出负载所需容量的值应至少等于一个UPS单元的容量，如此，断开其中的一个UPS单元，其余UPS仍可保持负载电力的连续性。

①无旁路并联冗余UPS(见图13)。如果一个UPS单元故障，它必须被隔离，以避免干扰其他UPS单元，使剩余的UPS单元得以连续向全部负载供电。此外，在这些系统中要求分担负载的各电路必须同步。
 

注：输入端子可连接在一起。
 

②带旁路的并联冗余UPS。如上述那样的系统，可在周围连接一个或多个旁路，以提供检修的便利。

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