UPS的電路結構及性能特點

一、 UPS電路結構種類
當前技術成熟并已形成產品的各種UPS，就其主電路結構和不停電供電運行機制來看，主要有四大類：
·后備式
·在線互動式
·雙逆變在線式
·雙逆變電壓補償在線式（delta逆變器）

圖(一)、(二)、(三)、(四)分別是以上四種類型UPS的基本電路結構形式。
1、 后備式是靜止式UPS的最初形式，因為應用得早，用得廣泛，因而技術和產品都是很成熟的，圖（一）中電路各環節的功能為：
·充電器：市電存在時，對蓄電池充電并浮充，如果是長延時UPS，就要求它有較強的充電能力，或者外加相應容量的附加充電器。
·DC-AC逆變器：市電存在時，逆變器不工作；市電掉電時，由它將直流電壓（電池供給）變成符合負載要求的交流電壓，電壓波形有方波、準方波、正弦波三種形式。

·輸出轉換開關：市電存在時，接通輸入電源向負載供電；市電掉電時，斷開電網，接通逆變器，繼續向負載供電。 智能調壓：市電存在時，可調節穩定輸出電壓。
后備式UPS的性能特點是：
·當市電存在時，效率高，可達98%以上；
·當市電存在時，輸入功率因數和輸入電流諧波取決于負載電流，UPS本身不 產生附加輸入功率因數和諧波電流失真；
·當市電存在時，輸出能力強，對負載電流波峰系數、浪涌電流系數、輸出功率因數、過載等沒有嚴格地限制；
·市電掉電時，輸出有轉換時間,一般可做到4ms左右,足以滿足負載要求；
·當市電存在時，輸出電壓穩定精度差，但能滿足負載要求；
·當市電存在時，整機要靠附加濾波電路提高UPS雙向抗干擾功能；
·電路簡單，成本低，可靠性高；
·由于輸出有轉換開關，受切換電流能力和動作時間的限制，UPS輸出功率做大有一定困難，當前面市的后備式UPS多在2KVA以下。
2、 在線互動式的在線含意是逆變器處于熱備份狀態，同時兼顧了對電池充電的功能，提高了后備式UPS的功率容量，減小了市電掉電時的轉換時間，提高了對輸出電壓的濾波作用。

圖（二）中電路各環節的功能如下：
·輸入開關：當市電掉電時（指電網失壓），斷開開關，防止逆變器向電網饋電；
·智能調壓：市電存在時，可調節穩定輸出電壓；
·DC/AC逆變器：此逆變器可雙向逆變，當市電存在時，逆變方向是AC- DC, 給電池充電并浮充；市電掉電后，逆變方向為DC-AC，由電池供電，保持UPS繼續向負載供電。
在線互動式UPS的性能特點是：


·當市電存在時，效率高，可達98%以上；
·當市電存在時，輸入功率因數和輸入電流諧波成份取決于負載 電流，UPS本 身不產生附加輸入功率因數和諧波電流失真；
·當市電存在時，輸出能力強，對負載電流峰值系數、浪涌電流系數、輸出功率 因數、過載等沒有嚴格地限制；
·市電掉電時，因為輸入開關存在開斷時間，至使UPS輸出仍有轉換時間，但比后備式要小；
·市電存在時，輸出電壓穩定精度差，但能滿足負載要求；
·市電存在時，因為逆變器直接接在輸出端，并且處在熱備份狀況，對輸出電壓尖峰干擾有濾波作用；
·電路更簡單，成本低，可靠性高；
·逆變器同時有充電功能，省掉了后備式UPS的附加充電器，其充電能力要比附加充電器強的多，當要求長延時供電時，無須再增加機外充電設備；
·由于逆變器與輸出直接接在一起，沒有轉換開關的限制，所以輸出功率可提高到5-10KVA。
為了進一步改善在線互動式的功能，可在輸入開關和智能調壓之間串接一個電感，目的在于當市電掉電時，逆變器可立即向負載供電，因為串聯電感對逆變輸出反饋到電網的電流有很強的抑制作用，避免了輸入開關未斷開時短路逆變器輸出的危險，這樣做可以使在線互動式的轉換時間減小到零，使其完全具備雙逆變在線式的轉換功能，同時還增加了整個UPS的抗干擾能力。但是，這樣做卻帶來了降低UPS輸入功率因數的不良后果。
3、 雙逆變在線式
當前，絕大多數在線式，特別是大功率在線式UPS，大都采用了雙逆變電路結構，圖（三）中電路各環節功能如下：

　·逆變器（Ⅰ）：該逆變器為AC-DC單向逆變，當市電存在時，它完成對電池的充電，并通過逆變器（Ⅱ）向負載供電，該逆變器多為整流或可控整流電路；

　·逆變器（Ⅱ）：該逆變器為DC-AC單向逆變，當市電存在時，它由逆變（Ⅰ）取得功率后再送到輸出端，并保證向負載提供高質量的電源；當市電掉電時，由電池通過逆變器（Ⅱ）向負載供電；
　·旁路開關：平時處在斷開狀態，當逆變電路發生故障，或者當負載有沖擊性（例如啟動負載時）或故障過載時，逆變器停止輸出，旁路開關接通，由電網直接向負載供電，旁路開關多為智能型的功率容量很強的無觸點開關。
雙逆變在線式UPS的性能特點如下：
　·因為不管市電有無，負載的全部功率都由逆變器給出，所以可以向負載提供高質量的電源，例如輸出電壓穩定精度、頻率穩定度、輸出電壓動態響應、波形失真度等指標，都是比較高的；
　·市電掉電時，輸出電壓不受任何影響，沒有轉換時間；
　·因為無論市電有無，全部負載功率都由逆變器供出，UPS的功率余量有限，輸出能力不理想，所以對負載提出限制條件，例如輸出電流峰值系數（一般只達到3:1）、過載能力、輸出功率因數（一般為0.8）、輸出有功功率小于標定的KVA數，應付沖擊性負載的能力等；
　·由于逆變器（Ⅰ）多為整流電路，對電網形成電流諧波干擾，輸入功率因數低，經濾波后，最小的諧波電流成份在10%左右，而輸入功率因數只有0.8左右，如果在逆變器（Ⅰ）中使用功率因數校正技術，則可把輸入功率因數提高到接近1，輸入電流諧波成份也會大幅度降低；
　·在市電存在時，由于兩個逆變器都承擔100%的負載功率，所以整機效率低，10KVA以下的UPS為80%左右，50 KVA的可達85-90%，100 KVA以上的可達90--92%。
4、 雙逆變電壓補償在線式技術是由美國APC Silcon首先提出并在三相大功率UPS中形成產品的，同樣是雙逆變電路結構，同樣是在線工作，但是，由于它成功地把交流穩壓技術中的電壓補償原理用到了UPS的主電路中，相對雙逆變在線式UPS，Silcon DP300E系列大功率UPS在適應電網環境并且不干擾破壞電網、在輸出能力和可靠性等多項UPS主要指標方面都有了新的突破。APC Silcon稱此電路結構為Delta逆變技術。

圖（四）中各環節的功能為：
·逆變器（Ⅰ）：它是一組DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的輸出變壓器（高 頻）的付邊串聯在UPS主電路中，其功能有三個：
第一：對UPS輸入端進行輸入功率因數補償，并抑制輸入電流諧波；
第二：與逆變（Ⅱ）一起，完成對輸入電壓的補償，當輸入電壓高于輸出 電壓額定值時，逆變器（Ⅰ）吸收功率，反

極性補償輸入輸出電壓的差值，當輸入電壓低于輸出電壓額定值時，逆變器（Ⅰ）輸出功率，正極性補償輸入輸出電壓的差值；
第三：與逆變器（Ⅱ）一起完成對電池的充電和浮充功能。
·逆變器（Ⅱ）：該逆變器同樣是DC-AC和AC-DC雙向逆變器，它的功能有四個：
　第一：同逆變器（Ⅰ）一起，完成對輸入輸出電壓差值的補償；
　第二：同逆變器（Ⅰ）一起完成對電池的充電和電壓浮充功能；
　第三：隨時監測輸出電壓，保證輸出電壓的穩定，對輸出電壓波形失真和輸出電流諧波成份進行補償，使其不對電網產生影響；
　第四：當市電掉電時，全部輸出功率由逆變器（Ⅱ）給出，并且保證輸出電壓不間斷，轉換時間為零。
　

圖（五）是雙逆變電壓補償在線式UPS在各種情況下電流和功率傳輸示意圖（這里假定UPS效率為100%）

雙逆變電壓補償在線式的性能特點如下：
因為逆變器（Ⅱ）隨時監視控制輸出電壓，并通過逆變（Ⅰ）參與主回路電壓的調整，所以不管市電有無，都可以向負載提供高質量的電源，例如輸出電壓穩定度、頻率穩定度、輸出電壓動態響應、波形失真等指標，都是比較高的。
市電掉電時，輸出電壓不受響應，沒有轉換時間。并且，當負載電流發生畸變時，也由逆變器（Ⅱ）調整補償掉，所以是典型的在線工作方式。
當市電存在時，逆變器（Ⅰ）和（Ⅱ）只對輸入電壓與輸出電壓的差值進行調整和補償，逆變器承擔的最大功率（當輸入電壓處于上限和下限時）僅為輸出功率的20%（相當于輸入電壓變化范圍），所以功率強度很小（1/5），功率余量大，這就大大增強了UPS的輸出能力，與雙逆變在線式相比，過載能力增強（200%,1分鐘），不再對負載電流波峰系數予以限制，可從容地對付沖擊性負載，不再對負載功率因數進行限制，輸出有功功率可以等于標定的KVA值。
·逆變器（Ⅰ）同時完成了對輸入端的功率因數校正功能，使輸入功率因數等于1，輸入諧波電流降到3%以下。
在市電存在時，由于兩個逆變器承擔的最大功率僅為輸出功率的1/5，所以整機效率在很大的功率范圍內都可達到96%。
在市電存在的情況下（UPS連續運行時間的99%是有市電的），逆變器功率強度僅為設計值（逆變器Ⅱ）的1/5，所以元器件乃至整機的壽命和可靠性必然大幅度提高。