论文部分内容阅读
摘 要：UPS（Uninterrupted Power System）即不间断电源，是一种比较新颖的电源系统设备，该设备由电子电力变流装置以及测控装置组成，是变电站自动化系统的关键电源设备，同时也是电网调度自动化系统数据可靠传输以及安全稳定运行的基础。UPS是企业重要的供电保障设备，但是该设备存在遇到的抗干扰能力不强，易于输出中断，部件工作不稳定，易烧坏等缺点。再加上变电站在UPS设备上投入成本高，维护人员工作量大，不易实时掌握设备运行状态和关键数据，设备事故预防能力低。针对工作中所出现的一系列问题，文章以提高UPS的可靠性为基本点，从UPS的结构装置和形式来考虑其设计方案，证明了该系统优化设计的合理可行性。
关键词：可靠性;不间断供电;优化设计
中图分类号：TQ056.8 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0003-02
1 概 述
随着综合国力的提升、人民生活水平的提高，首要任务就是保证计算机信息网络系统安全、可靠运行，信息业界乃至各行各业公认 UPS 不间断电源的重要性。
实际上，UPS经历过近四十年的发展，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。脉冲调制技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等已被UPS普遍采用，从而降低了UPS的可闻噪声，提高了效率和可靠性。UPS本身就是集数字与模拟技术，数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着位处理器和计算机的应用的普及，将其引入UPS系统。研制只能UPS是UPS发展的必然趋势。
2 UPS的分类
根据工作原理的不同，不间断电源可以分为后备式、在线式与在线互动式三种。
2.1 后备式
断电保护、自动稳压在不间断电源的应用中，是最基础最重要的功能，后备式均能达到这些功能的要求，它的结构十分简单、较高的可靠性、较低的价格，因此在外部设计、微型计算机或POS机等多个领域广泛应用。
2.2 在线式
在线式虽然结构相对复杂，但与其他两种相比，可以持续零中断地输出纯净正弦波交流电，对于所出现的浪涌、尖峰等系列电源问题，均能有效快速解决;但是由于在线式需要的资金比较大，在关键网络中心与设备等对电力要求严格的环境中才会使用。
2.3 在线互动式
在线互动式比后备式具有更加强烈的滤波能力、抵御市电干扰功能，其转换时间在4 ms以内，在网络设备（如：路由器、配备服务器）、电力工作环境相对困难的偏远地区均能够安全应用。当市电处于正常供电的情况下，通过市电滤波的回路作用之后，不间断电源 （UPS） 同时分成两个回路，一个是通过充电回路完成对电池组的充电，另一个是依次经过整流回路、逆变器的转换，最后把电力提供给计算机。
3 系统优化设计
3.1 主电路设计
本设计中整流器和充电器合二为一，这主要从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性，降低了造价。
3.1.1 整流器
UPS电源装置的重要组成之一是整流器，它具有以下两个功能：能够把市电发出的交流转变为直流电，经过滤波操作后供给负载、逆变器;整流器在设计中的作用相当于一个充电器，给蓄电池提供所需要的充电电压。根据梅兰日兰UPS不间断电源Galaxy系列整流器电路的组成部件和工作原理，控制电路采用16位INTEL96系列的单片机，控制简洁、方便可靠。主回路电路示意图，如图1所示。
3.1.2 逆变器
不间断电源的交流电源装置的核心是逆变器，穿插在负载、整流器两装置当中，利用蓄电池的输出功能，经过转换最终把直流电转变成 标准的交流电，提供给负载。逆变器的功率单元采用IGBT组成的二相桥式逆变电路，IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱电路，逆变控制系统设计采用冗余设计方案，两套由INTEL公司生产的16位微处理器。
3.1.3 蓄电池
储存电能的部分就是蓄电池。当处于正常供电的情况下，直流电源就会对蓄电池充电工作，实际上就是把电能转换成化学能;当市电供电中断的时候，不间断电源就会把储存在蓄电池中的化学能量转变成电能（直流电），从而就能够使逆变器正常工作。在该设计中选用一组20节的PBG200AH 12 V蓄电池。
3.1.4 充电器
生产生活中常用的充电电路有分级式和恒压充电两种形式。在线式UPS通常采用分级式充电电路，简单来说就是在充电初期的时候，采用恒流形式充电;当蓄电池的端电压充满电压之后，再采用恒压充电形式，该系统优化设计采用 UC3842 芯片。充电器实际上作为一个开关电源，只不过这种电源具有限制电流、稳定压力的功能，只要把相关参数设置合适，就可以使蓄电池达到满意的状态充电，这样子就无形中增加了蓄电池的使用寿命。
3.2 控制电路设计
3.2.1 整流器控制电路
整流器本质是一个把将交流（AC）转变为直流（DC）的整流装置。在双变换不间断电源中，整流器既能够给逆变器供电，又能够给蓄电池进行充电，因此又可以把它叫作整流器/充电机。整流器对各部分基本要求如下：
①利用交流可以输入电流的功能，整流器/充电机限定了电路中的电流，根据有关规定交流输入的电流达到满载的1.15倍;当发电机组在供电的时候，交流输入电流与满载输入电流相平衡。 ②整流器/充电机利用蓄电池充电电流限流电路，将蓄电池充电电流限制到不间断电源额定输出容量的15%;当发电机组在供电的时候，蓄电池的充电电流应限制至零。
③远端温度检测器运行的时候，整流器/充电机能够自动地进行调节蓄电池的浮充电压使其维持在一般-5 mv/只/℃左右。
目前较先进的方法是采用SPWM高频整流提高UPS的输入功率因数，也就是从提升开关频率的途径，从根本上解决不间断电源的谐波污染及无功缺额问题。
此外，另一种新兴的技术——软开关技术。这是一种可以降低开关损耗、提高开关频率、减少开关硬力、提高工作可靠性的新兴技术。目前也被部分不间断电源厂家所采用。
3.2.2 逆变器控制电路
通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源，但是由于种种原因的影响，比如市电电压变化频繁，有时低于380 V（三相交流电输入），甚至低达340 V;有时高于380 V，甚至高达420 V等，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定，只有采用可控整流电路，同时采用必要地负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的输出电压稳定。
3.2.3 微处理器的选择
现在市场上应用最为普遍的是8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位于16位单片机。采用的是数字信号处理器（Digital Signal Processo动和大规模逻辑控制器CPLD对不间断电源系统中的变换、控制、量测等环节进行全息控制，从控制器性能提升的角度对整套装置的变流精度，控制准度进行提升，从而保证正弦波形的相似度非常接近同时由于这种先进的数字控制系统带来的完备的保护逻辑，能够是不间断电源系统更稳定可靠地工作。
3.3 保护电路设计
对于完整的不间断电源系统来说，应该具有过电压保护、欠电压保护、过载保护、过热保护和短路保护等一系列措施。除了以上这些保护措施之外，在重要的UPS情况下，对防止电解液面过低和蓄电池温度异常现象的发生也应该有相应的保护。当电路处于超载（即为负载的1.5倍）的情况下，电源开关就能够快速转换到旁路状态，直到负载正常时就会自动恢复到常态;当处于严重超载（即为额定负载的2倍）情况下，不间断电源就会马上控制逆变器的输出，自动切换到旁路状态，同时前面的输入空气开关也有可能跳闸;当这些问题都解决之后，重新关闭开关、再开机，不间断电源恢复到了原来的工作状态。
4 结 语
在电力系统中，电力操作电源能够为保护和控制设备提供独立电源。因而，电力系统的直流操作电源要求特别高的可靠性，包括大型枢纽变电站、中小型变电站、核电站、水火力发电厂等，均要求直流供电系统的高可靠性。通过对UPS系统进行合理的优化设计，达到各部件之间能够可靠、协同地进行工作的效果，优化冗余的配置方案，最终能够使电力系统在直流操作电源系统的操作下能够高效运行。
参考文献：
[1] 吴其雨.UPS不间断电源的选择与配置[J].机床电器，2001，28（4）：41-46.
[2] 陈文实，许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报，
2002，22（4）：24-25.
[3] 肖化，胡广莉.智能化交流不间断电源UPS设计[J].电力电子技术，1997，
31（2）：31-34.
[4] 李正坤，张彦.不间断电源直接并机加自动互投的冗余供电方式[J].华 电技术，2010（2）：69-71.
关键词：可靠性;不间断供电;优化设计
中图分类号：TQ056.8 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）26-0003-02
1 概 述
随着综合国力的提升、人民生活水平的提高，首要任务就是保证计算机信息网络系统安全、可靠运行，信息业界乃至各行各业公认 UPS 不间断电源的重要性。
实际上，UPS经历过近四十年的发展，性能指标基本相似，不同点在于功能上的拓宽、创新及可靠性的高低。脉冲调制技术和功率晶体管及组合管、功率MOS管、IGBT等已被UPS普遍采用，从而降低了UPS的可闻噪声，提高了效率和可靠性。UPS本身就是集数字与模拟技术，数字通讯技术、电力电子技术、微处理器及软件编程等技术于一体的密集型电子产品。另外，随着位处理器和计算机的应用的普及，将其引入UPS系统。研制只能UPS是UPS发展的必然趋势。
2 UPS的分类
根据工作原理的不同，不间断电源可以分为后备式、在线式与在线互动式三种。
2.1 后备式
断电保护、自动稳压在不间断电源的应用中，是最基础最重要的功能，后备式均能达到这些功能的要求，它的结构十分简单、较高的可靠性、较低的价格，因此在外部设计、微型计算机或POS机等多个领域广泛应用。
2.2 在线式
在线式虽然结构相对复杂，但与其他两种相比，可以持续零中断地输出纯净正弦波交流电，对于所出现的浪涌、尖峰等系列电源问题，均能有效快速解决;但是由于在线式需要的资金比较大，在关键网络中心与设备等对电力要求严格的环境中才会使用。
2.3 在线互动式
在线互动式比后备式具有更加强烈的滤波能力、抵御市电干扰功能，其转换时间在4 ms以内，在网络设备（如：路由器、配备服务器）、电力工作环境相对困难的偏远地区均能够安全应用。当市电处于正常供电的情况下，通过市电滤波的回路作用之后，不间断电源 （UPS） 同时分成两个回路，一个是通过充电回路完成对电池组的充电，另一个是依次经过整流回路、逆变器的转换，最后把电力提供给计算机。
3 系统优化设计
3.1 主电路设计
本设计中整流器和充电器合二为一，这主要从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性，降低了造价。
3.1.1 整流器
UPS电源装置的重要组成之一是整流器，它具有以下两个功能：能够把市电发出的交流转变为直流电，经过滤波操作后供给负载、逆变器;整流器在设计中的作用相当于一个充电器，给蓄电池提供所需要的充电电压。根据梅兰日兰UPS不间断电源Galaxy系列整流器电路的组成部件和工作原理，控制电路采用16位INTEL96系列的单片机，控制简洁、方便可靠。主回路电路示意图，如图1所示。
3.1.2 逆变器
不间断电源的交流电源装置的核心是逆变器，穿插在负载、整流器两装置当中，利用蓄电池的输出功能，经过转换最终把直流电转变成 标准的交流电，提供给负载。逆变器的功率单元采用IGBT组成的二相桥式逆变电路，IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱电路，逆变控制系统设计采用冗余设计方案，两套由INTEL公司生产的16位微处理器。
3.1.3 蓄电池
储存电能的部分就是蓄电池。当处于正常供电的情况下，直流电源就会对蓄电池充电工作，实际上就是把电能转换成化学能;当市电供电中断的时候，不间断电源就会把储存在蓄电池中的化学能量转变成电能（直流电），从而就能够使逆变器正常工作。在该设计中选用一组20节的PBG200AH 12 V蓄电池。
3.1.4 充电器
生产生活中常用的充电电路有分级式和恒压充电两种形式。在线式UPS通常采用分级式充电电路，简单来说就是在充电初期的时候，采用恒流形式充电;当蓄电池的端电压充满电压之后，再采用恒压充电形式，该系统优化设计采用 UC3842 芯片。充电器实际上作为一个开关电源，只不过这种电源具有限制电流、稳定压力的功能，只要把相关参数设置合适，就可以使蓄电池达到满意的状态充电，这样子就无形中增加了蓄电池的使用寿命。
3.2 控制电路设计
3.2.1 整流器控制电路
整流器本质是一个把将交流（AC）转变为直流（DC）的整流装置。在双变换不间断电源中，整流器既能够给逆变器供电，又能够给蓄电池进行充电，因此又可以把它叫作整流器/充电机。整流器对各部分基本要求如下：
①利用交流可以输入电流的功能，整流器/充电机限定了电路中的电流，根据有关规定交流输入的电流达到满载的1.15倍;当发电机组在供电的时候，交流输入电流与满载输入电流相平衡。 ②整流器/充电机利用蓄电池充电电流限流电路，将蓄电池充电电流限制到不间断电源额定输出容量的15%;当发电机组在供电的时候，蓄电池的充电电流应限制至零。
③远端温度检测器运行的时候，整流器/充电机能够自动地进行调节蓄电池的浮充电压使其维持在一般-5 mv/只/℃左右。
目前较先进的方法是采用SPWM高频整流提高UPS的输入功率因数，也就是从提升开关频率的途径，从根本上解决不间断电源的谐波污染及无功缺额问题。
此外，另一种新兴的技术——软开关技术。这是一种可以降低开关损耗、提高开关频率、减少开关硬力、提高工作可靠性的新兴技术。目前也被部分不间断电源厂家所采用。
3.2.2 逆变器控制电路
通常希望逆变器能得到一个电压稳定的电源，但是由于种种原因的影响，比如市电电压变化频繁，有时低于380 V（三相交流电输入），甚至低达340 V;有时高于380 V，甚至高达420 V等，如果采用不可控整流电路，将使得整流器的直流输出不能保持稳定，只有采用可控整流电路，同时采用必要地负反馈环节，自动地调节脉冲相位，才能保证整流器的输出电压稳定。
3.2.3 微处理器的选择
现在市场上应用最为普遍的是8位单片机，但是在一些比较复杂的系统中，它就不得不让位于16位单片机。采用的是数字信号处理器（Digital Signal Processo动和大规模逻辑控制器CPLD对不间断电源系统中的变换、控制、量测等环节进行全息控制，从控制器性能提升的角度对整套装置的变流精度，控制准度进行提升，从而保证正弦波形的相似度非常接近同时由于这种先进的数字控制系统带来的完备的保护逻辑，能够是不间断电源系统更稳定可靠地工作。
3.3 保护电路设计
对于完整的不间断电源系统来说，应该具有过电压保护、欠电压保护、过载保护、过热保护和短路保护等一系列措施。除了以上这些保护措施之外，在重要的UPS情况下，对防止电解液面过低和蓄电池温度异常现象的发生也应该有相应的保护。当电路处于超载（即为负载的1.5倍）的情况下，电源开关就能够快速转换到旁路状态，直到负载正常时就会自动恢复到常态;当处于严重超载（即为额定负载的2倍）情况下，不间断电源就会马上控制逆变器的输出，自动切换到旁路状态，同时前面的输入空气开关也有可能跳闸;当这些问题都解决之后，重新关闭开关、再开机，不间断电源恢复到了原来的工作状态。
4 结 语
在电力系统中，电力操作电源能够为保护和控制设备提供独立电源。因而，电力系统的直流操作电源要求特别高的可靠性，包括大型枢纽变电站、中小型变电站、核电站、水火力发电厂等，均要求直流供电系统的高可靠性。通过对UPS系统进行合理的优化设计，达到各部件之间能够可靠、协同地进行工作的效果，优化冗余的配置方案，最终能够使电力系统在直流操作电源系统的操作下能够高效运行。
参考文献：
[1] 吴其雨.UPS不间断电源的选择与配置[J].机床电器，2001，28（4）：41-46.
[2] 陈文实，许立民.UPS电源现状及发展方向[J].辽宁工学院学报，
2002，22（4）：24-25.
[3] 肖化，胡广莉.智能化交流不间断电源UPS设计[J].电力电子技术，1997，
31（2）：31-34.
[4] 李正坤，张彦.不间断电源直接并机加自动互投的冗余供电方式[J].华 电技术，2010（2）：69-71.