UPS系統中的電源解決方案

　　一、引言

　　UPS(Uninterruptible Power System)，即不間斷電源系統，是一種含有儲能裝置(通常為蓄電池)，以逆變器為主要組成部分的恒電壓、恒頻率輸出的不間斷電源系統。主要應用于要求設備24小時(shí)供電的場(chǎng)合，如通訊設備、計算機網(wǎng)絡(luò )系統或其它電力電子設備等。當市電中斷(事故停電)時(shí)，UPS立即將機內儲能裝置的電能，通過(guò)逆變轉換的方式向負載繼續供應交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

　　關(guān)鍵字：UPS、整流、逆變器、開(kāi)關(guān)電源

　　二、UPS系統介紹及過(guò)程分析

　　圖一是個(gè)非常典型的UPS在地鐵中的應用，從上圖中可以明顯看到，該系統包含配電柜、UPS電源和外置維護開(kāi)關(guān)，終端負載為各機電系統，如信號系統、通信系統、綜合監控系統、自動(dòng)售檢票系統、自動(dòng)列車(chē)監控系統等子系統。配電柜的作用是對用電設備進(jìn)行配電和控制，在電路出現過(guò)載、短路和漏電時(shí)，配電柜還可以進(jìn)行斷電保護;外置維護開(kāi)關(guān)主要是在維護檢測過(guò)程中閉合，旁路掉UPS的電路，使電能從外置維護開(kāi)關(guān)的電路上通過(guò)，實(shí)現了在保證后端負載能夠得到正常供電的情況下不影響對設備的維護;在市電異常，配電柜斷電的情況下，UPS電源通過(guò)儲能裝置給后端的設備供電。

　　UPS的內部結構如圖二，主要由五部分組成：電源輸入電路，進(jìn)行AC/DC變換的整流器，進(jìn)行DC/AC變換的逆變器，輸出切換電路以及蓄能電池。其系統的穩壓功能通常是由整流器完成的。凈化功能由儲能電池來(lái)完成，由于整流器對瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流能量的功能外，對整流器來(lái)說(shuō)就像接了一只大容量電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。頻率的穩定則由變換器來(lái)完成，頻率穩定度取決于變換器的振蕩頻率的穩定程度。為方便UPS電源系統的日常操作與維護，設計了系統工作開(kāi)關(guān)，主機自檢故障后的自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，檢修旁路開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)控制。

　　下面結合UPS的內部結構，分析市電供電和斷電兩種狀態(tài)下UPS的工作過(guò)程：

　　1、市電正常時(shí)，交流電通過(guò)主電輸入端口，交流電輸入經(jīng)整流濾波變換成直流后，再通過(guò)SPWM逆變器逆變，然后交流電供給輸出，最后通過(guò)逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到用戶(hù)負載，形成整個(gè)供電的通路。在UPS系統中，之所以在市電供電的情況下還需經(jīng)過(guò)整流、逆變等電路，而不是直接由市電給后端的用戶(hù)負載供電，其目的是提高供電、用電的質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)整流后的直流也給予電池組充電，詳細過(guò)程見(jiàn)圖三，工作路線(xiàn)見(jiàn)圖中的標示。

　　2、當市電異常(斷電)時(shí)，主電輸入端口已經(jīng)沒(méi)有電能輸入，而是由電池輸入，通過(guò)SPWM逆變器逆變出交流電供給輸出，通過(guò)逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到輸出給用戶(hù)負載，完成整個(gè)供電的通路。詳細過(guò)程見(jiàn)圖四，工作路線(xiàn)見(jiàn)圖中的標示。

　　三、電源解決方案分析

　　對于整個(gè)系統而言，各功能電路的工作電源的重要性是不言而喻的，因為一旦工作電源出現故障，整個(gè)裝置就陷入癱瘓狀態(tài)，正常工作就無(wú)從談起，因此工作電源必須可靠、精確。

　　1、整流/充電電路：

　　整流/充電在UPS中主要由兩個(gè)作用：一是將交流電整流成直流電，經(jīng)濾波供逆變器使用，二是給蓄電池提供充電電壓，對蓄電池進(jìn)行充電?？刂齐娐肥钦麄€(gè)整流/充電電路的核心，因為無(wú)論是整流直流輸出作為逆變器的輸入控制，還是給蓄電池充放電的控制，必須保證控制可靠、穩定、有序，因此一般會(huì )采用微機控制為核心的控制系統，實(shí)現測量與采集、脈沖輸出與同步，信號輸出等功能，見(jiàn)下圖五。

　　根據各個(gè)功能電路的特點(diǎn)，微機處理器、信號輸出和脈沖輸出的隔離光耦一般采用5V/1A供電，轉換A/D采樣電路一般為±15V/0.3A，而保護電路中的繼電器和后端驅動(dòng)電路可以采用24V/1A，前端直接通過(guò)接入市電供電，金升陽(yáng)提供的LH60-20B24URB2405YMD-6WR3URA2415YMD-10WR3的開(kāi)關(guān)電源能夠完美的解決此處的供電方案，具體的初步方案可以設計如下圖六：

　　2、逆變器---IGBT驅動(dòng)電路

　　逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?，?shí)現逆變的電路稱(chēng)為逆變電路，逆變器的主要功能就是將整流/充電器的輸出直流電壓變換成穩壓穩頻的交流電。逆變器主回路采用的是三相橋式逆變電路，控制方式采用SPWM調制方式，逆變功率器件選用IGBT。

　　IGBT屬于大功率開(kāi)關(guān)管，需要單獨的驅動(dòng)電路才能滿(mǎn)足其快速開(kāi)通和關(guān)斷，且IGBT需要的驅動(dòng)電壓一般為﹢15V和-9V，同時(shí)要考慮到每個(gè)驅動(dòng)要隔離供電，不能共用一個(gè)電源，因此前端的直流供電可以采用24V的輸入，金升陽(yáng)可提供URB2415LD-20WR3開(kāi)關(guān)電源和QP12W05S-37 IGBT驅動(dòng)器，轉換成電源供電方案的電路設計如下圖七：

　　以上圖六和圖七推薦的電源方案為廣州金升陽(yáng)的隔離型開(kāi)關(guān)電源及驅動(dòng)器的型號，具備高隔離耐壓、小體積、耐高溫和寬電壓輸入等特點(diǎn)，很好的滿(mǎn)足了UPS系統各部分供電的要求。電源模塊的隔離功能能夠減少負載與負載間的相互干擾，同時(shí)在高壓逆變電路中起到了安全保護的作用，另一方面開(kāi)關(guān)電源具有高效率、穩壓、高精度的特性，能更好的保證整個(gè)系統的穩定、可靠運行。

　　四、總結

　　UPS在現代社會(huì )的發(fā)展中是不可缺少的，為生產(chǎn)、生活做了不少的貢獻，新一代更便捷、更智能的UPS系統是研發(fā)工程師開(kāi)發(fā)的方向。同時(shí)，系統內部的電源解決方案將直接影響到系統的穩定性和可靠性，因此在系統的設計過(guò)程中除了實(shí)現和完善其功能外，還要保證工作電源其方案的穩定性和可靠性。