UPS 结构原理功能介绍
Ingrasys Sunic
一、 UPS 的结构电路图：
二、 UPS 的分类：
1、离线式UPS：平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此离线式UPS也被称为后备式UPS。然而这种UP S存在一个切换时间问题，因此不适合用在关键性的供电不能中断的场所。但实际上这个切换时间很短，一般介于2至10毫秒，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持10毫秒左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。 2、在线式UPS：而在线式UPS则一直使其逆变器处于工作状态，它首先通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直流电源（蓄电池组）给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。 3、线上互动式UPS：这是一种智能化的UPS，可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压。而且它与计算机之间可以通过数据接口（如RS-232串口）进行数据通讯，通过监控软件，用户可直接从电脑屏幕上监控电源及UPS状况，简化、方便管理工作，并可提高计算机系统的可靠性。 因上述两种UPS不适于在电网质量十分差的环境下工作和对供电质量要求较高的负载使用。所以只着重介绍在线式UPS。以下如无特别说明，所述的UPS都指在线式。 在线式UPS原理如图1所示:
图1. UPS原理框图
主要由整流器、逆变器、静态转换开关和后备电池组成。经过交流? 直流? 交流的能量转换过程，只从市电取出能量，输出的交流电源是经过逆变器重新产生，其电压、波形由UPS本身控制，具有稳压、稳频、净化和不间断等功能。
下面就各部分的功能及其结构分别加以说明。
1.整流器 整流器是将输入交流电源转换成直流电源供给逆变器，同时对电池进行充电。如图2所示
。
图2. 单相及三相整流结构
最基本的结构是采用全桥整流方式，包括单相和三相整流，
输入交流电源经可控硅（或二极管）整流后，由电感和电容构成的滤波回路进行滤波获得平滑直流电源，同时也滤除了电网上的杂讯干扰。
对于大、中功率UPS而言，整流器直接对电池组充电，起到了充电器的作用。这类UPS的电池组是直接接至整流器的输出端（即与滤波电容并联）。而小型UPS一般都有独立的充电器，将整流后的直流进行变换，得到所要求的电压以恒压限流的方式对电池组充电。
全桥式整流方式的优点是电路简单、可靠性高；缺点是输入电流谐波失真大，输入功率因数低，对电网污染较严重以及体积大、生产运行成本高。
为了克服输入电流谐波失真大、功率因数低的缺点，目前已逐渐采用功率因数补偿技术（PFC）。使整流器的输入特性接近线性。
在UPS中目前最新的整流方式是采用脉宽调制（PWM）实现整流功能。该技术能完全克服传统整流方式的缺点，输入功率因数几乎接近1，即相当于线性负载（纯阻性）。但控制部分相对而言较复杂。
1.2 逆变器
智能飞行器技术逆变器是将整流后的直流电源变换成稳压、稳频、纯净的正弦波交流电源。
图3. 逆变器结构
目前几乎所有UPS的逆变器，特别是大、中功率UPS基本上采用脉宽调制（PWM）技术，结构如图3所示：
在控制电路中，利用高频三角波作为载波，对标准正弦波进行脉宽调制，产生脉宽随正弦波幅度而相应变化的高频脉冲序列，驱动功率开关管矩阵切换Q1～Q4，推动逆变变压器工作。经变压器功率变换，在次级一侧获得放大了的脉宽调制脉冲序列。然后由逆变变压器T的漏感和交流电容C组成的滤波电路滤除高频载波，还原成正弦波，完成了直流至交流的逆变过程。逆变变压器的作用主要是隔离和电压变换。
1.3 静态转换开关
其作用是在主电源和旁路电源之间，实现不间断地自动转换。结构如图4所示： 图4. 静态转换开关结构
每一路由两个可控硅按相反的极性并接而成。逆变器输出和旁路电源之间可控硅的驱动信号逻辑关系是非逻辑，即始终保持只有一路电源导通。逆变输出的相位一直跟踪旁路电源的相位，在转换过程中不会产生电压跃变。如两路电源存在电压差，也只是细小的幅度变化。
转换过程的断电时间实际就是可控硅关闭和开通的时间，属于微秒或纳秒级。而毫秒级的间断才会对负载设备造成影响，所以静态开关的转换是不间断的。
1.4 后备电池组
是后备电源，在主电源和旁路电源都中断时，供电给逆变器。通常由多个电池串联组成，其容量根据实际情况要求而定。同一台UPS，电池的个数是一定的。目前应用最广的是免维护密封铅酸电池。
1.5 UPS工作状态
正常工作状态：主电源? 整流器空气净化系统? 逆变器? 静态转换开关? 负载。 能量由主电源提供。如图5所示。
图5. 主电源供电
后备电池组供电：电池组－ 逆变器－ 静态转换开－负载。
能量由电池组提供，电池处在放电状态。当主电源断电或整流器故障时，UPS工作在该状态。
图6. 电池组供电
投票箱制作 旁路工作状态：旁路电源－ 静态旁路开关－ 负载
旁路电源直接供电给负载，负载完全从UPS系统中脱离。在正常情况下，由正常工作状态转为维修旁路时，是不间断转换的。如图7所示。
图7.静态旁路供电状态
维修旁路状态: 维修旁路－ 负载
当UPS需要维修或做定期保养须清扫机内灰尘时，转入此状态。转入前须检查旁路电源电压和频率，以免损坏负载，同时负载方需做好可能停电的准备，如备份数据等。如图食品可追溯系统8所示。
三、 UPS 的连接：
四、UPS的发展方向
1、智能化、网络化
全数字控制方式，通过UPS双面绣是谁发明的内部的CPU对机器参数进行编程控制；
一台UPS可以同时连接多台电脑系统；
可利用通讯接口与计算机通讯，并配合智能化监控软件及网络协议使用户方便、高效的在本地甚至远程分析及管理整个计算机及UPS系统。
2、高可靠性与安全性
自动侦测：开机时UPS即开始进行元件（逆变器、电池等）负载的检查，便于及时发现问题，避免产生任何疏失；
自我保护：通过自我保护设计，不论是UPS超载、短路、电池电压太低或UPS温度太高，UPS皆会自动关机；
直流开机：充分发挥UPS的紧急备用功能；
极强的过载能力：即使在大过载情况下仍能工作较长时间；
双机热备份功能：为局域网络提供双重的电源保护，即使一台UPS发生故障，也不会导致网络中断。
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