ups不间断电源设备的三相不间断电源的新进展

对三相不间断电源系统的各模块电路拓扑、整机电路结构以及各种流行控制策略做了一个概括性评析，指出了不间断电源设计和应用中存在的问题及当前研究的新热点，最后对UPS的发展动向做出了预言。 UPS的可靠运行离不开各模块的协调工作，下面就UPS主要功能模块电路拓扑进行简要分析。

1.1 整流和功率因数校正电路

整流电路在应用中构成直流电源装置，是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响公共电网的运行和用电质量。高性能的UPS要求有较高的输入功率因数，并尽量减少输入电流的谐波分量。传统单相UPS多采用模拟方法，三相UPS多采用相控式整流电路和电压型单管整流电路。

1.1.1传统三相相控式整流电路和电压型单管整流电路

相控式整流电路采用半控式功率器件作为开关，存在着以下问题：

1)网侧谐波电流的存在将降低设备网侧功率因数，增加无功功率;

2)相控整流换流方式，导致换流期中电网电压畸变，不仅使自身电路性能受到影响，而且对电网产生干扰，对同一接地点的网间其他设备带来不良影响;

3)相控整流环节是一个时滞环节，无法实现输出电压的快速调节。

电压型单管整流电路是三相不控整流桥加Boost电路的简称，它的缺点是：电流峰值大，不仅妨碍系统功率的提高，也增加了导通损耗和开关损耗;为了保持网侧功率因数的提高，Boost电路必须有一定的升压比，这对三相电路会导致直流输出电压过高。

1.1.2电流型三相桥式整流电路

电流型三相桥式整流电路如图1所示，其优点是反馈控制简单，不需要在控制电路中加入电流反馈，只须调节各开关管的占空比就可以实现输入电流正弦化;直流侧的电压较低。缺点是输入电流正弦度不是很好，在输入侧必须加入并联电容，实现移相。这种电路现在开始成为研究的热点之一。这种电路适用于大功率整流电路且对功率因数要求不高的场合。

1.1.3电压型三相桥式整流电路

电压型三相桥式整流电路如图2所示，其特点是采用高频PWM整流技术，器件处于高频开关状态，由于器件的开通和关断状态可以控制，所以整流器的电流波形是可控制的。这种电路的优点是可以得到与输入电压同相位的输入电流，也就是输入功率因数为1，输入电流的谐波含量可以接近为零;能量可以双向流动，正常时能量从交流侧向直流侧流动，直流输出电压高于给定值时，能量从直流侧向交流侧流动，具有较高的转换效率。缺点是属于Boost型整流电路，直流侧电压要求较高。这种电路也是研究的热点。

1.2 蓄电池组和充放电电路

蓄电池组是UPS的储能单元，市电正常时它吸收来自市电的能量并以化学能的形式储存起来，一旦市电中断，它把储存的化学能转换为电能向逆变器供电，维持负载供电的连续性。在中小功率的UPS系统中，电池组的电压通常比较低，因此，通常使用能量能够双向流动的充放电电路[4]。大功率系统中为了提高效率，简化电路通常直接把电池组并接在直流母线上。

1.3 逆变电路

逆变器是UPS的核心，它把直流电能转换成用户所需的稳压稳频的交流电能。下面仍以三相逆变器为对象分析逆变器的研究热点。

1.3.1三相半桥式逆变电路

在三相逆变电路中以三相半桥桥式电路应用最为普遍，这种电路的特点是采用全控型器件组成逆变器，存在着功率密度高，性能好，小型轻量化等优点。这种电路便于使用新的控制策略以提高逆变器的质量。但是，要实现带100%的独立负载是比较困难的。

1.3.2H桥逆变器

对于超大容量的逆变器，由于功率等级的大幅度提高，对逆变器的结构提出了新的要求，H桥臂逆变器便是选择之一。这种逆变器输出变压器采用多绕组接法，输出变压器的原边采用3个独立的绕组，逆变器输出采用3个独立的H桥。这样控制方便，但是成本较高。

1.3.3三相四桥臂变换技术

由于三相电路中，三桥臂逆变器本身存在着固有的缺陷，人们开始寻求新的电路结构，于是出现了三相四桥臂逆变器，如图3所示。这种电路结构输出为三相四线制，三相电压可以独立控制，控制方法灵活，但是这种拓扑的算法比较复杂，PWM矢量在三维空间中旋转，必须采用数字控制方法才能实现空间PWM波形的生成，这种电路成为了研究的热点之一。

1.4 三相UPS整机电路

1.4.1传统三相UPS电路结构

传统的三相UPS结构，输入采用晶闸管整流，输出采用逆变器，电池直接挂接于直流母线，整流器同时作为充电器。输出采用变压器隔离，可以实现输入输出完全隔离，确保电网的扰动不会对负载造成干扰。市电断电时，电池通过逆变器输出稳定的交流电;在逆变器出现故障时，通过旁路输出电压，保证了供电的可靠性。这种结构的主要缺点是体积和重量都比较大。

1.4.2高频链式三相UPS

为了降低成本，减小UPS的体积和重量，出现了高频链式三相UPS，如图4所示。这种电路省去了庞大的工频变压器，输入采用高频整流，可以获得较高的输入功率因数和较低的输入谐波电流。其缺点是输入输出没有变压器隔离，电网的扰动可能会给UPS的输出造成扰动;输出三相电压靠电池和电容中点形成中线，所以在控制中必须保持正负直流电压幅值的相等，否则输出中线会有较大的直流成分，对负载和负载中的变压器不利;输入采用三相四线制，中线有电流流过，可能会造成中线电位偏移，对负载造成干扰;输入输出不隔离，并联时的环流问题较难解决。

1.4.3新的在线互动式UPS

由于以上两种UPS都要经过两次满功率变换，因此系统的效率较低，从提高系统效率的角度出发，出现了一种串并联补偿式的大容量结构，是一种新的在线互动式结构，如图5所示。这种拓扑输入输出同样没有变压器隔离，所以会有高频链式UPS的缺点。这种UPS的输出频率必须保持与电网一致，而且对电网的扰动的抑制能力不强，因而供电质量比传统的三相UPS差。它的特点是从输入到输出间的能量不是经过满功率的变换，同样是由两个高频变换器组成，但是变换器1最大只承受20%的功率，从成本上讲，这种结构的成本更低。在控制方法上，变换器1是一个电压补偿器，用于补偿电网电压的畸变;变换器2是一个电流补偿器，用于补偿负载的谐波电流，并且在市电断电时作为满功率电压型逆变器向负载供电。

1.4.4输入输出隔离的高频链UPS

由于传统工频UPS的输入输出带有隔离变压器，输出有很好的隔离特性，高频链式的UPS有很好的输入特性，因此，出现了这种带有输入输出隔离的高频链式的UPS如图6所示。由于高频整流的缺点，在输入侧必须接一个自耦变压器降压，增加了整机的重量和成本;另外，由于输入采用了高频变换器，整机的效率比高频链式和传统式UPS的效率都低。但是，由于输入功率因数是1，没有谐波电流，所以所消耗的总电能低于传统三相UPS。

1.4.5输入输出并联的UPS

这种电路中，输入端由多个整流器并联而成，给直流母线供电，同时直流母线给多个逆变器提供直流电压，多个逆变器的输出端直接连接同时给负载供电。这种方式可以增强UPS的容量，增加系统的可靠性，成本下降，可维护性增强，但是，并联模块越多，各模块间的均流问题越难解决。 随着控制理论和功能丰富，性能优良的各种微控制器的迅猛发展，出现了多种离散化控制方法。从控制反馈回路的数目可分为单环、双环、多环控制。在硬件允许的条件下尽可能地提高反馈回路数目，可以提高控制效果。从控制原理上看包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、滑模变结构控制、模糊控制、神经网路控制、空间矢量控制等方法。

数字PID控制控制的适应性好，具有较强的鲁棒性;算法简单明了，便于用单片机或DSP实现。但是存在两方面的局限性：一方面是系统的采样量化误差降低了算法的控制精度;另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成PID控制器稳定域减少，增加了设计难度。

预测控制可以实现很小的输出电流畸变，抗噪音能力强，但是，这种算法要求知道精确的负载模型和电路参数，因此鲁棒性差，而且由于数值计算造成的延时在实际应用中也是一个问题。滞环控制具有快速的响应速度，较高的稳定性，但是滞环控制的开关频率不固定，使电路工作可靠性下降，输出电压的频谱变差，对系统性能不利。

无差拍控制的基本思想是根据逆变器的状态方程和输出反馈信号推算出下一个开关周期的PWM脉冲宽度，因此，从理论上可以使输出电压在相位和幅值上都非常接近参考电压，由负载变化或非线性负载引起的输出电压误差可在一个开关周期内得到校正。但是，无差拍控制是一种基于被控制对象精确数学模型的控制方法，鲁棒性很差。

滑摸控制是一种非线性控制，这种控制的特点是控制的非连续性。这种控制既可以用于线性系统也可用于非线性系统。这种控制方法具有很强的鲁棒性。缺点是要得到一个令人满意的滑模面是很困难的。

重复控制是一种基于内模原理的控制方法。逆变器采用重复控制的目的是为了消除因整流桥负载引起的输出电压波形周期性的畸变。重复控制器可以消除周期性干扰产生的稳态误差，但是，由于重复控制延时一个工频周期的控制特点，使得单独使用重复控制的UPS逆变器动态特性极差。

模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制器的设计不需要被控对象的精确数学模型，因此具有很强的鲁棒性和自适应性。模糊控制类似于传统的PD控制，因而这种控制有很快的响应速度，但是其静态特性不令人满意。神经元网络控制是模拟人脑神经中枢系统智能活动的一种控制方式。神经网络具有非线性映射能力、并行计算能力和较强的鲁棒性等优点，已广泛地应用于控制领域，尤其是非线性系统领域。在神经网络结构的设计、学习算法等方面已取得了一定成果。但是，由于硬件系统的限制，神经网络控制还无法实现对逆变器输出电压波形进行在线控制，多数应用都是采用离线学习获得优化的控制规律，然后利用得到的规律实现在线控制。

谐波注入式PWM技术，直流母线电压的利用率基本上可以达到loo%。这种方法对于电压开环的控制系统非常有效，但在闭环控制系统中由于谐波注入的初始相位必须与基波保持一致，在电压瞬时值控制中电压基波的初始相位无法精确定位而难以应用。

空间矢量PWM具有电流畸变小、直流母线电压利用率高以及易于数字化实现等优点，因此得到了较多的应用。这种控制方式也需要电路的精确模型。

上述各种控制方案都有其优势，但是也有其不足。同时采用不同的控制方法形成复合控制的控制方案在实践中得到了广泛的应用，取得了较好的效果。 美国UPS厂商APC公司，总结并归纳了UPS供电系统当前面临的、也是今后必须解决的5个方面的问题:

1)生命成本周期问题;

2)不间断电源系统的可适应性及可扩展性问题;

3)提高不间断电源的可用性问题;

4)不间断电源对供电系统的可管理性问题;

5)可服务性问题。 不间断电源的发展动向是UPS的多机并联冗余化，采用冗余并机技术提高UPS的容量和可靠性;采用功能更丰富的硬件设备实现全数字控制，使各种先进的复杂控制算法得以运用而不断提高UPS的性能，即向数字化和高频化发展;UPS的进一步智能化和网络化，使计算机网络成为不间断网络。

4.1 UPS的多机并联技术实现冗余化

UPS的并联技术可以带来以下几个方面的好处：

1)可以灵活地扩大电源系统的容量;

2)可以组成并联冗余系统以提高运行的可靠性：

3)极高的系统可维修性，当单台电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔的方式进行更换和维修。

采用并联技术可以形成具有容错功能的冗余式供电系统，从掌握的资料来看，主要有以下几种冗余配置方案：

1)集中式并联控制;

2)主从式并联控制;

3)分散式并联控制;

4)环链式并联控制;

5)无线式并联控制。

这几种并联方式，从可靠性的角度看，集中式最差，无线式控制最好，也成为研究热点。

4.2 UPS的数字化、高频化

最初的UPS采用模拟控制方法有很多局限性。随着数字处理器计算速度的不断提高，使得各种先进的数字控制方法得以实现，使UPS的设计具有很大的灵活性，设计周期缩短，性能大为提高。UPS高频化，有效地减小了装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪音，同时改善了输出电压的动态响应能力。数字化控制方法成了当今交流电源领域的一个研究热点，一种必然的发展趋势是各种方法相互渗透，互相结合形成复合控制方案。数字化复合控制是UPS控制的一个发展方向。

4.3 UPS的智能化、网络化

为了适应计算机网络的发展，UPS中已经开始配置RS232接口、RS485接口、USB接口、SNMP卡和MODEM结合，成为计算机网络的一部分，具有以下优异的智能化、网络化特性。

1)实时监控功能它对UPS各模拟参量和表示工作状态的开关量进行实时高速采样，实现数字式监控。

2)自诊断、自保护功能 UPS将实时采集来的各项模拟参量和工作状态数据以及系统中的关键硬件设备的数据与正常值进行分析比较，以判断UPS是否有故障隐患存在。如果有故障，根据相应的故障信息级别在控制面板的显示屏上以友好的图形界面、文字提示方式报警，或者在现场和控制室以指示灯灯光、报警器呜叫方式报警、也可以用自动拨通电话等方式报警，并做出相应的保护动作。

3)人机对话的控制方式大型UPS可向用户提供监控器液晶显示屏，以图形和文字方式显示工作流程和参数信息。可以提供让用户操作的可视化菜单。并以帮助和不断提示的方式引导用户按照既定方式处理故障，有效防止误操作。

4)远程控制功能在网络化时代，UPS不仅应能向由它直接供电的硬件设备提供保护，还应该对整个网络中的运行程序和数据以及数据的传输途径进行全面地保护，使之成为不间断网络。这就意味着UPS应配置相应的电源监控软件、SNMP(简单网络管理协议)管理器，使其具有远程管理能力，用户可执行UPS与网络平台之间的远程监控和数据的网络通信操作，使UPS成为网络系统中的重要组成部分。这样，由网管员通过网管软件监控多台UPS，而且被管理的UPS可以在同一个LAN也可以在不同的LAN，甚至可以通过互联网，纳入网络管理系统来管理UPS。

由于未来网络的广泛化和全球化，必然带来网络的复杂化，多种形式的网络系统连接在一起。作为网络系统的一部分，要求UPS能够实现在各种网络平台上的监控，而且随着Internet、Intranet和电子商务的超高速发展，用户对网络的可用性要求会越来越高，使UPS从对网络关键设备的保护延伸至对整个网络路径的保护。

UPS不间断电源解释 :

UPS不间断电源（Uninterruptible PowerSystem）的英文名称的缩写，它伴随着计算机的诞生而出现，是计算机常用的外围设备之一。实际上，UPS是一种含有储能装置，并以逆变器为主要组成部分的恒压恒额的不间断电源。 UPS在其发展初期，仅被视为一种备用电源。后来，由于电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、电压跌落、持续过压或者欠压甚至电压中断等电网质量问题，使计算机等设备的电子系统受到干扰，造成敏感元件受损、信息丢失、磁盘程序被冲掉等严重后果，引起巨大的经济损失。因此，UPS日益受到重视，并逐渐发展成一种具备稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰、防电压浪涌等功能的电力保护系统。目前在市场上可以购买到种类繁多的UPS电源设备，其输出功率从500VA到3000kVA不等。?

泰琪丰 ups电源

当有市电供给UPS的时候，UPS对市电进行稳压（220V±5％）后为计算机供电。此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电。因UPS设计的不同， UPS适应的范围也不同，UPS输出电压在±10－15％的变化一般属正常的计算机使用电压。当市电异常或者中断时，UPS立即将机内电池的电能通过逆变转换供给计算机系统，以维持计算机系统的正常工作并保护计算机的软硬件不受损失。 UPS的分类与特点 UPS电源按其工作方式可分为后备式和在线式两大类，按其输出波形又可分为方波输出和正弦波输出两种。?

后备式UPS电源在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道再经转换开关直接向负载提供电源，机内的逆变器处于停止工作状态。这种UPS电源在实质上相当于一台稳压性能极差的市电稳压器。它除了对市 电电压的幅度波动有所改善外，对市电电压的频率不稳、波形畸变以及从电网串入的干扰等不良影响基本上没有任何改善。只有当市电供电中断或低于170V时，蓄电池才对UPS的逆变器供电，并向负载提供稳压、稳频的交流电源。后备式UPS电源的优点是运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大、对供电质量要求不高的场合。 在线式UPS电源在市电正常供电时，首先将市电交流电源变成直流电源，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电源重新变成交流电源，即它平时是由交流电经整流后又以逆变器方式向负载提供交流电源。一旦市电中断，立即改由蓄电池以逆变器方式对负载提供交流电源。因此，对在线式UPS电源而言，在正常情况下，无论有无市电，它总是由UPS电源的逆变器对负载供电，这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰带来的影响。显而易见，在线式UPS电源的供电质量明显优于后备式UPS电源，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，其转换时间为零。 方波输出的UPS电源带负载能力差（负载量仅为额定负载的40－60％），不能带电感性负载。如所带的负载过大，方波输出电压中包含的三次谐波成份将使流人负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。?

正弦波输出的UPS电源的输出电压波形畸变度与负载量之间的关系没有方波输出 UPS电源那样明显，负载能力相对较强，并能带微电感性负载。 不管那种类型的UPS电源，当它们处于逆变器供电状态时，除非迫不得已，一般不要满载或超载运行，否则会使UPS电源的故障率明显增多。 UPS与负载的匹配 有的UPS用瓦（W）或者千瓦（kw）来表示其输出功率，如500W、1kw等；有的UPS 用伏安（VA）或者千伏安（kVA）来表示其输出功率大小，如3000VA、5kVA等。VA与 W的一般换算关系为：瓦是伏安的0.8倍，如3kVA＝2.4kw。

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UPS是线负载供电用的，每一种UPS都有特定的输出功率能力。如3kVA的UPS，其最大输出功率是3kVA或者2.4 kw，此时就要求接到这台UPS上的设备的耗电功率总和不能超过2.4千瓦。通常设备都标明了耗电功率（或者额定功率），此时就应当使所有接到UPS上的设备的额定功率加起来不超过UPS的输出功率，这种方法通常就叫做UPS输出功率与负载耗电功率的匹配。但有些设备的启动功率是额定功率的3－5倍（例如打印机的额定功率为200W，则在计算负载匹配时要按 5×200W＝1000W进行折算）。除了打印机以外的其他计算机外部设备，通常启动功率略大于额定功率，故考虑匹配时最好按UPS输出功率的80％进行负载匹配。标准的UPS未加外接电池前，在它的输出功率与负载耗电功率完全匹配（即全负载）的情况下，一般从市电中断时算起可供电约6－10分钟（具体数值每个型号的UPS说明书上都有记载）。

如果以负载耗电功率只有UPS输出功率的一半计算（习惯叫半负载或者50%负载率，如1000W的UPS接入500W的负载），则可供电12-25 分钟，不同负载量时的UPS供电时间大约可参照负载减半时间加倍的方式计算。 使用注意事项 正确使用UPS电源，不但可以减少UPS发生故障的机会，而且能够有效地延长其使用寿命。

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我们应当注意以下几点：?

（1）使用UPS电源时，应严格遵守厂家的产品说明书的有关规定，保证UPS所接市电的火线、零线顺序符合要求。?

（2）配备UPS的主要目的是防止由于突然停电而导致计算机丢失信息和破坏硬盘，但有些设备工作时是并不害怕突然停电的（如打印机等）。为了节省UPS的能源，打印机可以考虑不必经过UPS而直接接入市电。如果是网络系统，可考虑UPS只供电给主机（或者服务器）及其有关部分。这样可保证UPS既能够用到最重要的设备上，又能节省投资。?

（3）不要超负载使用UPS。UPS电源的最大负载量应该是其标称负载量的80％（如 1000w的UPS，按80％负载率即800W去匹配负载：1000VA的UPS按80％换算成 800W之后再按80％负载率即640W去匹配负载）。如果超载使用，在逆变状态下，常造成逆变三极管的击穿。此外，在使用UPS时，严禁接诸如日光灯之类的感性负载，而只能接纯电用或较小的电容性负载。?

（4）开关机时应当注意开关机的顺序：开机时先开UPS，稍后（最好是滞后1－2 分钟，让UPS充分进入工作状态）再开通负载的电源开关，而且负载的电源开关要一个一个地去开通：关机时顺序正好相反，先一个一个地关掉负载的电源开关，再关掉 UPS。UPS要长期处于开机状态，而计算机等负载则每次要用才开机，用完后只要关掉计算机等负载的电源开关即可。?

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（5）不要频繁关闭和开启UPS电源。一般要求在关闭UPS电源后，至少要等待6秒钟后才能再开启泰琪丰UPS电源，否则，UPS电源可能处于“启动失败”的状态，即UPS电源处于既无市电输出又无逆变器输出的不正常状态。?

（6）UPS电源内电池内的电能有可能因某种原因而耗尽或者接近耗尽，为了补偿电池能量和提高电池寿命，UPS电源要进行及时的、较长时间的连续充电（通常不少于48小时，可以带或者不带负载），以避免由于电池衰竭而引起故障。新购置或存放很久的UPS电源，在使用前，应先充电12小时。长期存放不用的UPS电源，每隔3个月，充电12小时，若处于高温地区，每隔2个月充电一次。UPS电源不充电就使用，会损坏UPS电源。