在線式UPS的原理分析

1在線式UPS工作原理

　　電路結(jié)構(gòu)如圖3－1所示，輸入濾波器實(shí)質(zhì)上就是EMI濾波器，一方面濾除、隔離市電對(duì)UPS系統(tǒng)的干擾，另一方面也避免UPS內(nèi)部的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)“污染”市電。

　　在線式UPS不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出功率總是由逆變器提供。市電中斷或送電時(shí)，無(wú)任何轉(zhuǎn)換時(shí)間。

　　平時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流，然后再由逆變器將直流轉(zhuǎn)換成純凈的正弦電壓供給負(fù)載。另一路，市電經(jīng)整流后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。正常供電時(shí)的工作原理見(jiàn)圖3－1（a）。

圖3－1（a）正常供電時(shí)在線式UPS工作原理示意圖

　　一旦市電中斷時(shí)，轉(zhuǎn)為蓄電池供電，經(jīng)逆變器把直流轉(zhuǎn)變?yōu)檎医涣鞴┙o負(fù)載。市電中斷時(shí)的工作原理見(jiàn)圖3－1(b)。

圖3－1（b）市電中斷時(shí)在線式UPS工作原理示意圖

圖3－1（c）市電正常而逆變器故障時(shí)的工作原理示意圖

　　在市電正常供電狀態(tài)下，若逆變器出現(xiàn)故障，則靜態(tài)開(kāi)關(guān)動(dòng)作轉(zhuǎn)向由市電直接供電，此時(shí)的工作原理見(jiàn)圖3－1(c)。

　　如果靜態(tài)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換是由于逆變器故障引起，UPS會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果是由于過(guò)載引起，當(dāng)過(guò)載消失后，靜態(tài)開(kāi)關(guān)重新切換回到逆變器輸出端。

2在線式UPS充電電路

　　雖然后備式UPS中的恒壓充電電路具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。但這種充電電路使蓄電池組初期充電電流較大，影響蓄電池的壽命。所以在在線式UPS中一般采用分級(jí)充電電路，即在充電初期采用恒流充電，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到其浮充電壓后，再采用恒壓充電。在線式UPS蓄電池的典型充電特性如圖3－2所示。

圖3－2在線式UPS蓄電池理想充電過(guò)程

圖3-3 小型在線式UPS充電電路

　　圖3－3所示為某小型在線式UPS的充電電路，該電路的工作原理如下：

　　變壓器將市電電壓由220V降到110V，經(jīng)整流濾波后變成140V的直流電壓U1，這個(gè)電壓分成兩路：一路由R1降壓和V1、V2穩(wěn)壓后，得到18V左右的電壓U2，加到集成控制器（UC3842）的7端，作為該控制器的輔助電源；另一路經(jīng)電感L1后加到場(chǎng)效應(yīng)管V3的漏極。V3工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，是個(gè)提升式（BOOST）開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，當(dāng)UC3842的6端輸出一正脈沖方波時(shí)，V3導(dǎo)通，電壓U1幾乎都降在電壓L1上，通過(guò)L1的電流等于漏極電流ID，當(dāng)正脈沖方波過(guò)去后，在該脈沖的后沿激起一個(gè)反電勢(shì)電壓　　式中：Δu為瞬時(shí)反電勢(shì)電壓，Δt為脈沖下降時(shí)間。

　　這個(gè)反電勢(shì)電壓的方向正好與整流電壓U1相疊加，經(jīng)過(guò)二極管V4的充電電壓UO為：

UO=U1＋Δu

　　這樣，蓄電池就得到了足夠的充電電壓，因?yàn)棣和ΔID由電路參數(shù)決定，該充電電壓是固定不變的。隨著電池組的充電，當(dāng)其端電壓提高到設(shè)定值后，再經(jīng)R7送到RP及R5組成的分壓器上，經(jīng)分壓后的反饋信號(hào)送到UC3842的輸入端2，經(jīng)過(guò)該信號(hào)的控制，使6端輸入脈沖的頻率降低，這樣一來(lái)充電電壓的平均值比原來(lái)減小，于是充電的電壓被穩(wěn)定下來(lái)。

　　電流的控制過(guò)程是這樣的：電流的采樣信號(hào)是由V3源極上的R10取得的，當(dāng)充電電流增大時(shí)，由于對(duì)應(yīng)頻率的增加，V3開(kāi)關(guān)頻率增加，在R10上通過(guò)電流所造成的電壓平均值增大，這個(gè)增大了的電壓US經(jīng)R11、C6平滑后送到UC3842的3端，使6端輸出脈沖的頻率下降，從而也穩(wěn)定了電流。

　　由上述可見(jiàn)，這個(gè)充電電路實(shí)際上是個(gè)具有限流穩(wěn)壓功能的開(kāi)關(guān)電源，只要將額定電壓、浮充電壓、恒流充電電流設(shè)置恰當(dāng)，就能使蓄電池的充電過(guò)程基本上沿著理想的充電曲線進(jìn)行，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

3在線式UPS逆變器

3.1逆變器控制技術(shù)——正弦脈寬調(diào)制

　　正弦脈寬調(diào)制是根據(jù)能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種脈寬調(diào)制法，如圖3－4所示。

　　為了得到接近正弦波的脈寬調(diào)制波形，我們將正弦波的一個(gè)周期在時(shí)間上劃分成N等份（N是偶數(shù)），每一等份的脈寬都是2π/N。在每個(gè)特定的時(shí)間間隔中，可以用一個(gè)脈沖幅度都等于UΔm、脈寬與其對(duì)應(yīng)的正弦波所包含的面積相等或成比例的矩形電壓脈沖來(lái)分別代替相應(yīng)的正弦波部分。這樣的N個(gè)寬度不等的脈沖就組成了一個(gè)與正弦波等效的脈寬調(diào)制波形。假設(shè)正弦波的幅值為U～m，等效矩形波的幅值為UΔm，則各等效矩形脈沖波的寬度為δ式中：

　　βi是各時(shí)間間隔分段的中心角，也就是各等效脈沖的位置中心角。上面的公式表明：由能量等效法得出的等效脈沖寬度δ與分段中心βi的正弦值成正比。

圖3－4正弦脈寬調(diào)制的能量等效圖

當(dāng)N=20，Um(n)/Um(1)與U～m/UΔm的關(guān)系曲線

（a）調(diào)制電路

(b)波形圖

圖3－5正弦脈寬調(diào)制法調(diào)制電路及波形圖

　　在實(shí)際的小型UPS中，常用圖3－5（a）所示的用比較器組成的正弦脈寬調(diào)制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)上述脈寬調(diào)制的目的。若將三角波脈沖送到比較器的反相端（?），將正弦波送到比較器的同相端（?），則在正弦波電壓幅值大于三角波電壓時(shí)，比較器的輸出端將產(chǎn)生一個(gè)脈寬等于正弦波大于三角波部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔的正脈沖。于是在電壓比較器的輸出端將得到一串矩形方波脈沖序列。假設(shè)三角波的頻率fΔ與正弦波的頻率f之比為fΔ/f～=N（N稱為載波比），為了使輸出方波滿足奇函數(shù)，N應(yīng)是偶數(shù)。如果假定在正弦波大于三角波的部分所產(chǎn)生脈沖的中心位置，就是每一段脈沖的中心位置βi。

　　從圖3－5（b）可以看到，由于三角形Δabg與Δcdg相似，當(dāng)載波比N固定，且N>20時(shí)，在比較器輸出端產(chǎn)生的矩形脈沖的寬度正比于正弦波的幅值U～m與三角波幅值之比，該脈沖寬度也正比于分段中心角βi的正弦值，對(duì)于圖3－5（b）所示的脈寬調(diào)制波形，

　　當(dāng)n=1（基波）時(shí)，基波幅值Um(1)及各次諧波的幅值Um(n)與脈沖寬度δ有關(guān)，而脈寬δ又與調(diào)幅比U～m/UΔm有關(guān)。因此，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸入到比較器同相端的正弦波電壓的幅值大小就可以調(diào)節(jié)逆變器電壓的大小。圖3－6給出了Um(n)/Um(1)max（各次諧波的幅值與基波最大值之比）與U～m/UΔm(調(diào)幅比)的關(guān)系曲線。由圖3－6可以看出：在這種調(diào)制方式下，當(dāng)正弦波的幅值小于三角波的幅值時(shí)，即0≤U～m/UΔm≤1時(shí)，逆變器輸出電壓的基波分量幾乎是與調(diào)幅比U～m/UΔm的數(shù)值成線性變化；當(dāng)正弦波幅度等于三角波幅度時(shí)，逆變器輸出電壓的基波分量大約等于0.8Um(1)max；此后，若繼續(xù)增大正弦波的幅度，即U～m>UΔm時(shí)，逆變器脈寬調(diào)制輸出的正弦分布特性開(kāi)始遭到破壞，這時(shí)Um（n）/Um(1)max與調(diào)幅比U～m/UΔm之間失去線性關(guān)系，開(kāi)始呈現(xiàn)非線性特性。這種正弦脈寬調(diào)制方式的另一個(gè)重要特點(diǎn)是：在正弦波幅度小于三角波幅度范圍內(nèi)，輸出波形中不包含3、5、7次等低次諧波分量。在脈寬調(diào)制輸出波中僅存在與三角波工作頻率相近的高次諧波。

圖3－6正弦波脈寬調(diào)制法

　　對(duì)于載波比K≥20的正弦脈寬調(diào)制波形來(lái)說(shuō)，這些高次諧波分量是17、19次諧波分量。在目前實(shí)際使用的中、小型UPS中，正弦波的工作頻率是50Hz，三角波的工作頻率在8～40kHz之間。因此，采用這種正弦脈寬調(diào)制法的逆變器輸出電