作者：张颖超、杨贵恒、常思浩、徐国家 等编著
出版社：化学工业出版社
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UPS原理与维修试读：
前言
随着信息技术的不断发展和计算机的日益普及，高新技术产品和设备对供电质量提出了越来越严格的要求。如计算机、工业自动化过程控制系统、医用控制系统、数据通信处理系统、航空管理系统和精密测量系统等，均要求交流电网对其提供稳压、稳频、无浪涌和无尖锋干扰的优质交流电。这是因为供电的突然中断或供电质量严重超出设备（系统）的标准要求之外，轻者造成数据丢失、系统运行异常和生产不合格产品，严重时会造成系统瘫痪或造成难以估量的损失。然而普通电网供电时，因受自然界的风、雨、雷电等自然灾害的影响以及受某些用户负载、人为因素或其它意外事故的影响，势必造成所提供的交流电不能完全满足负载要求。为了保证负载供电的连续性，为负载提供符合要求的优质电源，满足一些重要负载对供电电源提出的严格要求，从20世纪60年代开始出现了一种新型的交流不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS），同那些昂贵的设备相比，配置UPS的费用相对较低，为保护关键设备配置UPS是非常值得的。近年来，UPS得到了迅速发展，在电力、军工、航空、航天和现代化办公等领域已成为必不可少的电源设备。
UPS是一种涉及数字与模拟电路、电力电子电路、化学电源、数字通信、计算机控制技术等多学科的技术密集型电子产品。本书共分8章来讨论UPS的原理与维修技术：绪论部分介绍了UPS的功能、性能指标、基本结构形式及其发展趋势；第1章主要讲述UPS控制电路基础；第2章至第5章讨论了UPS中常用电路的工作原理及其相关技术；第6章介绍了UPS的选型、安装、使用、维护以及UPS的并联冗余技术；第7章和第8章进行了典型UPS实例剖析。UPS的生产厂家及其品牌很多，UPS实例剖析部分本着按类选取的原则，既有小功率UPS，又有中、大型UPS；既有后备式UPS，又有在线式UPS。这些实例是从作者接触较多的UPS产品中选取的，通过UPS实例剖析，读者可掌握典型UPS的技术参数与基本结构、电路工作原理及常见故障检修。
本书由张颖超、杨贵恒、常思浩、徐国家、李龙、钱希森、强生泽、刘扬、李世刚、金丽萍、曹均灿和张瑞伟等共同编写。绪论、第2章至第5章由杨贵恒、李龙、钱希森、刘扬、强生泽、李世刚和曹均灿编写；第1章由常思浩编写；第6章至第8章由张颖超、徐国家、金丽萍和张瑞伟编写。另外，在本书编写过程中，吴桂平、陈昌兰、吴英、蒋王莉、余江、杨贵文、吴勇、万毅林、邹洪元、陈昌碧、邹春虎、杨芳、付保良、付洋、汪涛和吴伟丽等做了大量的文字编辑工作，在此表示衷心的感谢！
由于UPS涉及的知识面广，相关技术发展迅猛，再加之编者的水平和经验有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。编著者2010年11月绪论
随着信息技术的不断发展和计算机的日益普及，高新技术产品和设备对供电质量提出了越来越严格的要求。如计算机、工业自动化过程控制系统、医用控制系统、数据通信处理系统、航空管理系统和精密测量系统等，均要求交流电网对其提供稳压、稳频、无浪涌和无尖锋干扰的优质交流电。为了保证负载供电的连续性，为负载提供符合要求的优质电源，满足一些重要负载对供电电源提出的严格要求，从20世纪60年代开始出现了一种新型的交流不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS），同那些昂贵的设备相比，配置UPS的费用相对较低，为保护关键设备，配置UPS是非常值得的。近年来，UPS得到了迅速发展，在电力、军工、航空、航天和现代化办公等领域已成为必不可少的电源设备。0.1 UPS的定义与作用0.1.1 UPS的定义
所谓不间断电源（系统）是指当交流电网输入发生异常时，可继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的供电装置。不间断电源依据其向负载提供的是交流还是直流可分成两大类型，即交流不间断电源系统和直流不间断电源系统，但人们习惯上总是将交流不间断供电系统简称为UPS。0.1.2 UPS的作用
UPS作为一种交流不间断供电设备，其作用有二：一是在市电供电中断时能继续为负载提供合乎要求的交流电能；二是在市电供电没有中断但供电质量不能满足负载要求时，应具有稳压、稳频等交流电的净化作用。
所谓净化作用是指，当市电电网提供给用户的交流电不是理想的正弦波，而是存在着频率、电压、波形等方面异常时，UPS可将市电电网不符合负载要求的电能处理成完全符合负载要求的交流电。市电供电异常主要体现在以下几个方面（如图0-1所示）。图0-1 各种电网干扰示意图
①电压尖峰（Spike） 指峰值达到6000V、持续时间为0.01～10ms的尖峰电压。它主要由于雷击、电弧放电、静电放电以及大型电气设备的开关操作而产生。
②电压瞬变（Transient） 指峰值电压高达20kV、持续时间为1～100μs的脉冲电压。其产生的主要原因及可能造成的破坏类似于电压尖峰，只是在量上有所区别。
③电线噪声（Electrical Line Noise） 指射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）以及其他各种高频干扰。电动机运行、继电器动作、广播发射以及微波辐射等都会引起电线噪声干扰。电网电线噪声会对负载控制线路产生影响。
④电压槽口（Notch） 指正常电压波形上的开关干扰（或其他干扰），持续时间小于半个周期，与正常极性相反，也包括半周期内的完全失电压。
⑤电压跌落（Sag or Brownout） 指市电电压有效值介于额定值的80％～85％之间，并且持续时间超过一个至数个周期。大型设备开机、大型电动机启动以及大型电力变压器接入电网都会造成电压跌落。电压跌落可能造成硬件提前老化、文件数据丢失。
⑥电压浪涌（Surge） 指市电电压有效值超过额定值的110％，并且持续时间超过一个至数个周期。电压浪涌主要是因电网上多个大型电气设备关机，电网突然卸载而产生的。
⑦欠电压（Under Voltage） 指低于额定电压一定百分比的稳定低电压。其产生原因包括大型设备启动及应用、主电力线切换、大型电动机启动以及线路过载等。
⑧过电压（Over Voltage） 指超过额定电压一定百分比的稳定高电压。一般是由接线错误、电厂或电站误调整以及附近重型设备关机引起。对单相电而言，可能是由于三相负载不平衡或中线接地不良等原因造成。
⑨波形失真（Harmonic Distortion） 指市电电压相对于线性正弦波电压的偏差，一般用总谐波畸变（Total Harmonic Distortion，THD）来表示。产生的原因一方面是发电设备输出电能本身不是纯正的正弦波，另一方面是电网中的非线性负载对电网的影响。
⑩市电中断（Power Fail） 指电网停止电能供应且至少持续两个周期到数小时。产生的原因主要有线路上的断路器跳闸、市电供应中断以及电网故障等。电源中断可能造成硬件损坏。频率偏移（Frequency Variation）指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由于应急发电机的不稳定运行或由频率不稳定的电源供电所致。0.2 UPS的分类
UPS自问世以来，其发展速度非常快。初期的UPS是一种动态的不间断电源。在市电正常时，用市电驱动电动机，电动机带动发电机发出交流电。该交流电一方面向负载供电，同时带动巨大的飞轮使其高速旋转。当市电变化时，由于飞轮的巨大惯性对电压的瞬时变化没有反应，因此保证了输出电压的稳定。在市电停电时，依赖飞轮的惯性带动发电机继续向负载供电，同时启动与飞轮相连的备用柴油发电机组。备用发电机组带动飞轮旋转并因此带动交流发电机向负载供电，如图0-2（a）所示。为了进一步延长供电时间，后来采用如图0-2（b）所示的结构。市电经整流后一路给蓄电池充电，另一路为直流电动机供电，直流电动机又拖动交流发电机输出稳压稳频的交流电，一旦市电中断，依靠蓄电池组存储的能量维持发电机继续运行，使得负载供电不间断。这种动态不间断电源设备存在噪声大、效率低、切换时间过长、笨重等缺点，未被广泛采用。随着半导体技术的迅速发展，利用各种电力电子器件的静态UPS很快取代了早期的动态UPS。静态UPS依靠蓄电池存储能量，通过静止逆变器变换电能维持负载电能供应的连续性。相对于动态UPS，静态UPS体积小、重量轻、噪声低、操控方便、效率高、后备时间长。本书所述及的UPS均指静态UPS。图0-2 动态UPS结构框图
UPS的分类方法很多，按输出容量可分为小容量（10kV·A以下）、中容量（10～100kV·A）和大容量（100kV·A以上）；按输入、输出电压相数可分为单进单出、三进三出和三进单出型；但人们习惯上按UPS的电路结构形式进行分类，可分为后备式、双变换在线式、在线互动式和Delta变换式。0.2.1 后备式UPS
后备式（off line）UPS是静态UPS的最初形式，它是一种以市电供电为主的电源形式，主要由充电器、蓄电池、逆变器以及变压器抽头调压式稳压电源四部分组成。当电网电压正常时，UPS把市电经简单稳压处理后直接供给负载；当电网故障或供电中断时，系统才通过转换开关切换为逆变器供电。其工作原理如图0-3所示。图0-3 后备式UPS原理框图（1）当市电供电正常（市电电压处于175～264V之间）时 首先经由低通滤波器对来自电网的高频干扰进行适当的衰减抑制后，分两路去控制后级电路的正常运行：
①经充电器对位于UPS内部的蓄电池组进行充电，以备市电中断时有能量继续支持UPS的正常运行；
②经位于交流旁路通道上的“变压器抽头调压式稳压电源”对起伏变动较大的市电电压进行稳压处理，使电压稳定度达到220[1±（4～10）％]V，然后，在UPS逻辑控制电路的作用下，经稳压处理的市电电源经转换开关向负载供电（转换开关一般由小型快速继电器或接触器构成，转换时间为2～4ms）；
③逆变器处于启动空载运行状态，不向外输出能量。（2）当市电供电不正常（市电电压低于175V或高于264V）时 在UPS逻辑控制电路的作用下，UPS将按下述方式运行：
①充电器停止工作；
②转换开关在切断交流旁路供电通道的同时，将负载与逆变器输出端连接起来，从而实现由市电供电向逆变器供电的转换；
③逆变器吸收蓄电池中存储的备用直流电，变换为50Hz/220V电压维持对负载的电能供应。根据负载的不同，逆变器输出电压可以是正弦波，也可以是方波。
后备式UPS的性能特点是：
•电路简单，成本低，可靠性高；
•当市电正常时，逆变器仅处于空载运行状态，整机效率可达98％；
•因大多数时间为市电供电，UPS输出能力强，对负载电流的波峰系数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格要求；
•输出电压稳定精度较差，但能满足负载要求；
•输出有转换开关，市电供电中断时输出电能有短时间的间断，并且受切换电流能力和动作时间的限制，增大输出容量有一定的困难，因此，后备式正弦波输出UPS容量通常在2kV·A以下，而后备式方波输出UPS容量通常在1kV·A以下。0.2.2 双变换在线式UPS
双变换在线式（on line）UPS又称为串联调整式UPS。目前大容量UPS大多采用这种结构形式。该UPS一般来说由整流器、充电器、蓄电池、逆变器等几部分组成，它是一种以逆变器供电为主的电源形式。当市电正常供电时，市电一方面经充电器给蓄电池充电，另一方面经整流器变成直流后送至逆变器，经逆变器变成交流后再送给负载。仅仅在逆变器出现故障时，才通过转换开关切换为市电旁路供电。其工作原理如图0-4所示。图0-4 双变换在线式UPS原理框图（1）当市电供电正常时 首先经由EMI/RFI滤波器对来自电网的传导型电磁干扰和射频干扰进行适当的衰减抑制后，分三路去控制后级电路的正常运行：
①直接连接交流旁路供电通道，作为逆变器通道故障时的备用电源；
②经充电器对位于UPS内的蓄电池组进行浮充电，以便市电中断时，蓄电池有足够的能量来维持UPS的正常运行；
③经过整流器和大电容滤波变为较为稳定的直流电，再由逆变器将直流电变换为稳压、稳频的交流电，通过转换开关输送给负载。（2）当市电出现故障（供电中断、电压过高或过低）时 在逻辑控制电路的作用下，UPS将按下述方式运行：
①关充电器，停止对蓄电池充电；
②逆变器改为由蓄电池供电，将蓄电池中存储的直流电转化为负载所需的交流电，用来维持负载电能供应的连续性。（3）市电供电正常情况时 如果系统出现下列情况之一：在UPS输出端出现输出过载或短路故障、由于环境温度过高和冷却风扇故障造成位于逆变器或整流器中的功率开关管温度超过安全界限、UPS中的逆变器本身故障，那么UPS将在逻辑控制电路调控下转为市电旁路直接给负载供电。
双变换在线式UPS的性能特点如下。
•不论市电正常与否，负载的全部功率均由逆变器给出，所以，在市电产生故障的瞬间，UPS的输出不会产生任何间断。
•输出电能质量高。UPS逆变器采用高频正弦脉宽调制和输出波形反馈控制，可向负载提供电压稳定度高、波形畸变率小、频率稳定以及动态响应速度快的高质量电能。
•全部负载功率都由逆变器提供，UPS的容量裕量有限，输出能力不够理想，所以对负载的输出电流峰值系数（一般为3:1）、过载能力、输出功率因数（一般为0.7）等提出限制条件，输出有功功率小于标定的千伏安数，应付冲击负载的能力较差。
•整流器和逆变器都承担全部负载功率，整机效率低。10kV·A以下的UPS为80％左右，50kV·A的可达85％～90％，100kV·A以上的可达90％～92％。0.2.3 在线互动式UPS
在线互动式（interactive）UPS又称为并联补偿式UPS。与双变换在线式UPS相比，该UPS省去了整流器和充电器，而由一个可运行于整流状态和逆变状态的双向变换器配以蓄电池构成。当市电输入正常时，双向变换器处于反向工作（即整流工作状态），给电池组充电；当市电异常时，双向变换器立即转换为逆变工作状态，将电池电能转换为交流电输出。其工作原理如图0-5所示。图0-5 在线互动式UPS原理框图（1）当市电正常（市电电压在150～276V之间）时 市电电源经低通滤波器对从市电电网窜入的射频干扰及传导型电磁干扰进行适当衰减抑制后，将按如下调控通道去控制UPS的正常运行。
①当市电电压处于175～264V之间时，在逻辑控制电路作用下，将开关Q置于闭合状态的同时，闭合位于UPS市电输出通道上的转0换开关。这样，把一个不稳压的市电电源直接送到负载上。
②当市电电压处在150～175V之间时，鉴于市电输入电压偏低，在逻辑控制电路作用下，将开关Q置于分断状态的同时，闭合升压0绕组输入端的开关Q，使幅值偏低的市电电源经升压处理后，将一1个幅值较高的电压经转换开关送到负载。
③当市电电压处在264～276V之间时，为防止输出电压过高而损坏负载，在逻辑控制电路作用下，将开关Q置于分断状态的同时，0闭合降压绕组输入端的开关Q，使幅值偏高的市电电源经降压处理2后再经转换开关送到负载，从而达到用户负载安全运行的目的。
④经过处理后的市电电源除了供给负载电能以外，同时作为双向逆变器的交流输入电源。双向逆变器运行于整流状态，从电网吸收能量存储在蓄电池组中，以便在市电不正常时提供足够的直流能量。（2）当市电输入电压低于150V或高于276V时 在机内逻辑控制电路的作用下，UPS的各关键部件将完成如下操作。
①切断连接负载和市电旁路通道的转换开关。
②双向变换器由原来的整流工作模式转化为逆变工作模式。也就是说，此时系统不再对蓄电池进行充电，而是吸收蓄电池存储的直流电能，经正弦波逆变转化为稳压、稳频的交流电能输出给负载。
在线互动式UPS的性能特点如下：
•效率高，可达98％以上；
•电路结构简单，成本低，可靠性高；
•输入功率因数和输出电流谐波成分取决于负载电流，UPS本身不产生附加的输入功率因数和谐波电流失真；
•输出能力强，对负载电流峰值系数、浪涌系数、过载等无严格限制；
•变换器直接接在输出端，并且处于热备份状态，对输出电压尖峰干扰有滤波作用；
•大部分时间为市电供电，仅对电网电压稍加稳压处理，输出电能质量差；
•市电供电中断时，因为交流旁路开关存在断开时间，导致UPS输出存在一定时间的电能中断，但比后备式UPS的转换时间短。0.2.4 Delta变换式UPS
Delta变换式UPS又称为串并联补偿式UPS，是一种最新的UPS结构形式。Delta变换式UPS成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理应用到UPS主电路中，引入了一个四象限变换器（Delta变换器）。当市电正常时，Delta变换器既起到了给蓄电池充电的作用，同时也起到了补偿电网波动和干扰的作用，在市电输出时，也能保证供给负载的电能质量。其工作原理如图0-6所示。图0-6 Delta变换式UPS原理框图（1）当市电正常时（电压波动范围小于±15％，频率波动范围小于3Hz） Delta变换式UPS是根据能量平衡原则进行调控的，可分为如下几种情况。
①当市电输入电压等于主变换器输出电压时，Delta变换器控制市电输入电流的幅值，以保证市电输入的有功功率等于负载所需的有功功率。此时，Delta变换器和主变换器都不进行有功能量的转换。
②当市电输入电压低于主变换器输出电压时，Delta变换器使市电输入电流幅值增大，以保证市电输入有功功率等于负载所需有功功率。此时，Delta变换器输出正向电压以补偿市电电压与主变换器输出电压的差值，因此它从直流母线吸收一定的有功功率，连同市电有功功率一起送向负载端。负载吸收相应的有功功率，多余的有功功率经主要变换器返回给直流母线。主变换器吸收的有功功率正好等于Delta变换器发出的有功功率，以维持直流母线能量平衡。
③当市电输入电压高于主变换器输出电压时，Delta变换器控制市电输入电流的幅值减小，以保证市电输入有功功率等于负载所需有功功率。此时，Delta变换器输出负向电压以补偿市电电压与主变换器输出电压的差值，因此它从市电吸收一定的有功功率传送到直流母线。这部分有功功率再由主变换器发出，连同剩余的市电有功功率一起送向负载端。这样既维持了负载端有功功率的平衡，同时维持了直流母线有功功率的平衡。
④当蓄电池电压偏低需要充电时，Delta变换器控制市电输入电流幅值增大，使得市电输入有功功率大于负载所需有功功率。此时，除了供给负载有功功率外，剩余有功功率通过主变换器被传送到直流的母线上，完成对蓄电池的充电。
⑤蓄电池电压过高需要放电时，Delta变换器控制市电输入电流幅值减小，使得市电输入有功功率小于负载所需有功功率。负载除了吸收市电输入有功功率外，还通过主变换器从直流母线吸收一定的有功功率，从而完成对蓄电池的放电。
⑥各种情况下负载所需的无功功率和谐波电流都由主变换器提供，市电输入功率因数高，谐波电流小。（2）当市电出现故障（电压波动范围大于±15％，频率波动范围超过3Hz）时 静态开关VSR和VSR都处于关闭状态，停止Delta变12换器工作。此时，主变换器在蓄电池提供的直流能量的支持下，以逆变器的形式向负载提供电能，负载所需全部有功和无功功率以及谐波电流都由主变换器提供。
不管市电供电正常与否，在运行过程中，只要遇到下述情况之一：在UPS输出端出现过载或短路故障、主变换器或Delta变换器出现故障、系统温升过高，那么，位于主供电通道上的静态开关VSR和位2于主供电通道的闭环控制电路中的Delta变换器、主变换器都应立即进入自动关断状态。与此同时，位于交流旁路供电通道上的静态开关SSR立即进入导通状态。在此条件下，市电电源将被直接送到用户1的负载端。
Delta变换式UPS的性能特点如下：
①负载端电压由主变换器输出电压决定，不论有无市电都可向负载提供高质量电能，但主电路和控制电路相对复杂；
②当市电存在时，主变换器和Delta变换器只对输出电压的差值进行调整和补偿，主变换器承担的最大功率仅为输出功率的20％左右（相当于输入电压变化范围），所以功率裕量大，系统抗过载能力强，不再对负载电流峰值系数予以限制；
③Delta变换器完成输入端的功率因数校正功能，使得输入功率因数可达0.99，输入谐波电流下降到3％以下，整机效率在很大功率范围内可以达到96％。0.2.5 典型UPS性能对比
综上所述，当市电故障时，各种UPS输出电能质量都取决于逆变器输出电压质量。当市电正常时，由于各种UPS的电路结构和工作状态不同，其性能差别较大。各种典型UPS在市电正常时的主要性能归纳如表0-1所示。表0-1 典型UPS性能对比
在线式UPS（双变换在线式UPS）与后备式UPS的主要区别如下。在线式UPS首先经过整流和大电容滤波将普通的市电交流电源变成直流稳压电源，然后再将直流电源经脉宽调制处理，由逆变器重新转化为稳压稳频的交流电源。正因为经过了一级AC/DC变换，原来存在于市电电网上的电压幅度不稳、频率漂移、波形畸变及噪声干扰等不利因素都随着市电交流电整流成直流电而被全部解决。因此，它是属于将市电电源进行彻底改造的“再生型”电源。而后备式UPS是仅仅对市电电源的电压波动进行不同程度稳压处理的“改良型”电源，它对除电压之外的其他电源问题的改善程度相当有限，当市电供电正常时，它们的市电输入端与UPS输出端处于非电气隔离状态。0.3 UPS的性能指标0.3.1 UPS的输入指标（1）输入电压 说明UPS产品适应什么样的供电制式。指标中除应说明输入交流电压是单相还是三相之外，还应说明输入交流电压的数值，如220V、380V、110V等；与此同时还要给出UPS对电网电压变化的适应范围是多少，如标明在额定电压基础上±10％、±15％、±20％、±35％等。UPS输入电压的上下限表示市电电压超出此范围时，UPS就断开市电而由蓄电池供电。（2）输入频率 说明UPS产品所适应的输入交流电频率及其允许的变化范围。在中国，标准值为50Hz（一些进口UPS是60Hz），如50Hz±1％、50Hz±3％、50Hz±5％等，这表示UPS内部同步锁相电路的同步范围，即当市电频率在变化范围之内时，UPS逆变器的输出与市电同步；当频率超出该范围时，逆变器的输出不再与市电同步，其输出频率由UPS内部50Hz正弦波发生器决定。（3）输入电流 表示UPS包括充电器工作时的输入电流，其最大值表示输入电压为下限值、负载为100％时，充电器工作时的最大输入电流。用户在安装UPS时，可以根据这个数值选用合适的导线及输入熔断器。（4）输入功率因数及输入电流谐波成分 在电路原理中，线性电路的功率因数（PowerFactor）习惯用cosφ表示，其中φ为正弦电压与正弦电流间的相差角。对非线性电路而言，尽管输入电压为正弦波，电流却可能是非正弦波，因此对非线性电路必须考虑电流畸变。一般定义为PF=P/S
式中，PF表示功率因数，P表示有功功率，S表示视在功率。
在非线性电路中，若定义基波电流有效值与非正弦电流有效值之比为畸变因数，则电流畸变因数d（distortion）为
式中，I，I，…，I分别表示1，2，…，n次谐波电流有效值。12n若再假设基波电流与电压的相位差为φ，则功率因数PF可表示为PF=P/S=UIcosφ/UI=dcosφ1
即非线性电路的功率因数为畸变因数与位移因数（cosφ）之积。
输入功率因数是指UPS中整流充电器的输入功率因数和输入电流质量，表示电源从电网吸收有功功率的能力及对电网的干扰。输入功率因数越高，输入电流谐波成分含量越小，表征该电源对电网的污染越小。一般来说，采用晶闸管整流的UPS功率因数为0.9～0.95（滞后），输入电流谐波含量在25％左右。采用输入功率因数校正技术，输入功率因数可达0.96～0.99（滞后），输入电流谐波含量可达到5％以下。0.3.2 UPS的蓄电池指标（1）蓄电池的额定电压 UPS所配蓄电池组的额定电压一般随输出容量的不同而有所不同，大容量UPS所配蓄电池组的额定电压较小容量的UPS高些。小型后备式UPS多为24V，通信用UPS的蓄电池电压为48V，某些大中型UPS的蓄电池电压为72V、168V或220V等。（2）蓄电池的备用时间 该项指标是指当UPS所配置的蓄电池组满荷电状态时，在市电断电时改由蓄电池组供电的状况下，UPS还能继续向负载供电的时间。一般均给出满载后备时间，有时还附加给出半载时的后备时间。要注意的是该指标随蓄电池的荷电状态及蓄电池的新旧程度而有所变化。（3）蓄电池类型 现在的UPS一般采用阀控密封式铅酸蓄电池，早期的UPS产品也有采用镍镉碱性蓄电池的。这一方面是因为阀控密封式铅酸蓄电池的性能比以前有较大改善，另一方面则是因为阀控密封式铅酸蓄电池的价格比镍镉蓄电池便宜。（4）蓄电池充电电流限流范围 避免充电电流过大而损坏蓄电池，其典型值为2％～25％的标称输入电流。0.3.3 UPS的输出指标（1）输出电压
①标称输出电压值 单相输入单相输出或三相输入单相输出UPS为220V；三相输入三相输出UPS为380V，采用三相三线制或三相四线制输出方式。
②输出电压可调范围 对大、中容量UPS而言，输出电压从它们的额定值起最小可调节±5％。对于小容量单相UPS而言，一般采用拨盘调节法，其输出电压的典型可调范围为208/220/230/240V。
③输出电压静态稳定度 指UPS在稳态工作时受输入电压变化、负载改变以及温度影响造成输出电压变化的大小。对于中、大容量UPS而言，典型值为±1％，对于中、小容量UPS而言，典型值为±2％或±3％。
④输出电压动态稳定度 指UPS在100％突然加、减载时或执行市电旁路供电通道与逆变器供电通道的转换时，输出电压的波动值。对于中、大容量UPS而言，瞬态电压波动值应小于±5％，对于小容量UPS而言，瞬态电压波动值应小于±6％～±8％。
⑤输出电压动态响应恢复时间 指在输入电压为额定值、输出为线性负载、输出电流由零至额定电流或者由额定电流至零突变时，UPS输出电压恢复到稳压精度范围内所需的时间。对于大多数UPS来说，此值应该在10～30ms之间。
⑥输出电压频率 UPS所允许的市电同步跟踪范围，对于大、中容量UPS，通常为50Hz±（0.5～2）Hz；对于小容量UPS，通常为50Hz±（0.5～3）Hz。UPS所允许市电的同步跟踪速率，对于大容量UPS，通常为0.1～1Hz/s；对于中、小容量UPS，通常为0.1～3Hz/s。当工作在逆变器输出状态时频率稳定度，对于小容量UPS，通常为50Hz±0.1Hz；对于大、中容量UPS，通常为50Hz±（0.5～0.005）Hz。
⑦输出电压波形及失真度 根据用途不同，输出电压不一定是正弦波，也可以是方波或梯形波。后备式UPS输出波形多为方波，在线式UPS的输出波形一般为正弦波。
波形失真度一般是对正弦波输出UPS来说的，指输出电压谐波有效值的二次方和的平方根与基波有效值的比值。带线性负载时，大、中容量UPS总电压谐波失真度小于2％，小容量UPS谐波失真度小于3％。带峰值系数为3:1的非线性负载时，对于大、中容量UPS，总电压谐波失真度小于5％，最大的单次谐波失真度小于2.5％；对于小容量UPS，总电压谐波失真度小于7％。（2）输出容量 容量是UPS的首要指标，包括输入容量和输出容量，一般指标中所给出的容量是输出容量，是指输出电压的有效值与输出最大电流有效值的乘积，也称为视在功率。容量的单位一般用伏安（V·A）表示，这是因为UPS的负载性质因设备的不同而不同，因而只好用视在功率来表示容量。（3）输出功率因数 UPS输出功率因数反映UPS的输出电压与输出电流之间的相位与输入电流谐波分量大小之间的关系。它表征UPS对非线性负载的适应能力和视在功率过载的能力，不一定越大越好。UPS输出功率因数是可适应不同性质负载的能力，而不是提供有功功率的百分比。输出功率因数为1时，只能给出80％额定输出的视在功率；输出功率因数为0.8时，才可输出100％额定视在功率。而且，输出功率因数越小，输出的视在功率伏安值就越大。实际功率因数大小随负载性质而变，不是UPS要给负载输出什么功率，而是负载需要什么功率。（4）抗三相不平衡负载能力 带三相平衡非线性负载时，三相输出电压幅值差小于±1％，相位差小于±1°；带三相不平衡非线性负载时，三相输出电压幅值差小于±3％，相位差小于±2.5°。（5）输出过载能力 UPS启动负载设备时，一般都有瞬时过载现象发生，输出过载能力表示UPS在逆变器工作情况下，可承受瞬时过载的能力与时间。超过UPS允许的过载量或允许过载时间，容易导致UPS损坏。UPS的过载能力因UPS生产厂家与容量的不同而不同：对于大、中容量UPS而言，典型值为125％负载时10min，150％负载时30～60s；对于小容量UPS而言，典型值为110％负载时10min，130％负载时10s。（6）输出电流峰值系数 当输出电流中存在着周期性非正弦波电流峰值时，UPS逆变器电源的交流输出电流峰值与交流输出电流有效值之比。UPS接线性负载时，其输出电流峰值系数为1.41:1，计算机负载的峰值系数为（2.4～2.7）:1。对UPS来说，其典型的峰值系数为3:1。（7）并机负载电流不均衡度 当两台及两台以上具有并机功能的UPS输出端并联供电时，并联各台UPS电流值中与平均电流偏差最大的偏差电流值与平均电流值之比。其典型值为2％～5％。此值越小越好，说明并机系统中每台UPS所输出的负载电流的均衡度越好。0.3.4 UPS的其他指标（1）效率 效率是UPS的一个关键指标，尤其是大容量UPS。它是在满载（阻性）情况下，输出的有功功率与输入的有功功率之比。一般来说，UPS的标称输出功率越大，其系统效率也越高。小容量双变换在线式UPS（1～10kV·A）的效率为85％～89％，中容量双变换在线式UPS（10～100kV·A）的效率为89％～92％，大容量双变换在线式UPS（50～800kV·A）的效率为91％～95％。Delta变换式UPS的效率可高达96％左右。后备式UPS和在线互动式UPS在市电供电正常时，其效率可达95％～96％，但处于电池提供能量支持逆变器向负载供电时，其效率与小容量双变换在线式UPS处于同一水平。（2）切换时间 对于采用快速继电器或接触器作切换装置的小容量UPS（额定容量小于10kV·A），交流旁路市电供电与逆变器供电的切换时间典型值为4ms，波动范围为2～6ms。对于采用“静态开关”的大、中容量UPS来说，交流旁路供电切换到逆变器供电的时间几乎为零，由逆变器供电切换到交流旁路供电的时间一般小于2ms。（3）平均无故障工作时间 （MTBF）指用统计方法求出的UPS工作时两个连续故障之间的时间，它是衡量UPS工作可靠性的一个指标。一般来说，UPS的额定输出功率越大，其MTBF值越大，即可靠性越高。小容量UPS的MTBF值约为4万～14万小时，中容量UPS的MTBF值约为13万～22万小时，大容量UPS的MTBF值约为20万～40万小时。（4）工作噪声 表示在市电正常、UPS负载为满载线性负载、逆变器工作时，以UPS电源为中心，以1m为半径，高度为1.3m处所测量出的噪声分贝数。小容量UPS约为45～50dB（A），中容量UPS约为50～55dB（A），大型UPS约为55～70dB（A）。（5）保护功能
①输出短路保护 负载短路时，UPS应立即自动关闭输出，同时发出声光报警。
②输出过载保护 当输出负载超过UPS额定负载时，应发出声光报警；超过负载能力时，应转旁路供电。
③过热保护 UPS机内运行温度过高时，应发出声光报警，并自动转为旁路供电。
④电池电压低保护 当UPS在电池逆变工作方式时，电池电压降至保护点时，发出声光报警，停止供电。
⑤输出过欠电压保护 当UPS输出电压超过设定过电压阀值或低于设定欠电压阀值时，发出声光报警，并转为旁路供电。
⑥抗雷击浪涌能力 UPS应具备一定的防雷击和电压浪涌的能力。（6）电磁兼容性要求 一方面指UPS对外产生的传导干扰和电磁辐射干扰应小于一定的限度，另一方面对UPS自身抗外界干扰的能力提出一定的要求。（7）安全要求 包括绝缘电阻、绝缘强度以及对地漏电流的要求。（8）工作条件
①工作温度 是指UPS工作时应达到的环境温度条件，一般计算机用UPS的运行温度一般为0～40℃。工作温度过高，不但使半导体器件、电解电容的漏电流增加，而且还会导致半导体器件的老化加速、电解电容及蓄电池寿命缩短；工作温度过低，则会导致半导体器件性能变差、蓄电池充放电困难且容量下降等一系列严重后果。
②工作湿度 湿度是指空气内所含水分的多少。说明空气中所含水分的数量可用绝对湿度（空气中所含水蒸气的压力强度）或相对湿度（空气中实际所含水蒸气与同温下饱和水蒸气压强的百分比）表示。UPS说明书一般给出的是相对湿度，通常为10％～95％，典型值为50％。
③海拔高度 UPS说明书中所注明的海拔高度是保证UPS安全工作的重要条件。UPS满载运行时海拔典型值为1000m，某些高档UPS可达1500m。0.3.5 集中监控和网管功能
为了满足计算机网、电信网和数据通信网等所需的无人或少人值守需求，当今的UPS电源具有如下调控功能。（1）配置必要的通信口 小容量的UPS应配置RS232接口/SNMP适配器通信接口，大、中容量的UPS应配置RS232、RS485接口/SNMP适配器通信接口。利用RS232、RS485接口/SNMP适配器通信接口，可在UPS计算机/计算机网络之间实现数据通信。
①遥测信号 包括输入电压、电流、频率、有功功率、视在功率和功率因数；输出电压、电流、频率、有功功率、视在功率和功率因数；交流旁路电压、电流和频率；电池的充放电电压和电流等信号。对三相UPS来说，还包括三相电流不平衡度信号。
②遥信信号 包括输入电源故障、整流器故障、逆变器故障、交流旁路电源过欠电压、直流总线电源过欠电压、逆变器电源与市电电源同步/不同步、整流器/逆变器/变压器温升过高以及各种继电器开关的工作状态等信号。
③遥控信号 包括可编程的定时“自检测”电池管理、紧急停机、定时开/关机、自动拨号/传呼/发E-mail等信号。（2）提供配套的电源管理软件 用户在相应的个人计算机（PC）/网管平台上装上相应的电源管理软件后，就可以组成功能强大的网管智能化UPS系统。在此条件下，用户就能在网管平台或工作站的终端上执行下述操作：
①调阅在UPS监控显示屏上观察到的所有信息；
②如UPS本身发生故障，自动执行网络广播报警、电话拨号、自动传呼或发E-mail等操作，以便通知值班人员到现场维修；
③当遇到市电长时间供电中断时，按照用户预定的时序，对位于同一网管系统下的PC/服务器分批执行有序的数据自动存盘和安全关闭操作系统；
④专业人员可重新调节、设置/校正UPS的运行参数；
⑤将“用户自定义”报警信号经UPS的通信接口传送到用户的远程集中监控系统。0.4 UPS的发展趋势
UPS自问世以来，已从最初的动态发电式，经采用SCR的静止型UPS，发展到现在采用全控型功率器件的具有智能化的UPS产品。目前，电源技术人员对UPS的拓扑结构、使用的器件和材料、采用的控制方法和手段等方面的研究仍在不断深入，旨在提高UPS产品的性能、拓宽其应用领域、提高其可靠程度、增强其适应能力。根据现在的研究结果，可以预期小型UPS产品今后的发展主要围绕以下几个方面进行。0.4.1 高频化
UPS的高频化一方面是指逆变器开关频率的提高，这样可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除变压器和电感的音频噪声，同时可改善输出电压的动态响应能力。由于新型开关器件IGBT的广泛使用，中小容量UPS逆变器的开关频率已经可做到20kHz左右，大容量UPS逆变器由于受开关损耗的限制，为了保证系统的整体效率，其开关频率只有10kHz左右。
在中小容量UPS中，为了进一步减小装置的体积和重量，必须去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离是UPS高频化的真正意义所在。高频隔离可采用两种方式实现，一是在整流器与逆变器之间加一级高频隔离的DC/DC变换器，另一种是采用高频链逆变技术，分别如图0-7（a）和（b）所示。在大容量UPS中不适合于采用高频隔离。图0-7 高频隔离UPS结构框图
图0-7（a）所示为在通用双变换在线式UPS中插入一级高频DC/DC隔离变换构成的高频隔离UPS，其特点是结构简单，控制方便。缺点是系统中存在两级高频变换，导致整个装置损耗增加，效率明显降低。图0-7（b）所示的高频链逆变器形式解决了这个问题，它将高频隔离和正弦波逆变结合在一起，经过一级高频变换得到100Hz的脉动直流电，再经一级工频逆变得到所需的正弦波电压。相对于高频直流隔离来说，高频链逆变器形式只采用了一级高频变换，提高了系统效率。但是，这种形式控制相对复杂，目前多处于研究阶段，只在小容量UPS中有部分应用。0.4.2 绿色化
随着现代电力电子制造技术的发展，许多高性能、低污染和高效利用电能的现代电力电子装置不断涌现，例如网侧电流非常接近正弦的程控开关电源、具有高功率因数的系列化UPS、系列化的IGBT变频调速器、高频逆变式整流焊机以及兆赫级DC/DC变换器、电子镇流器等。这些基于高频变换技术的现代电源装置和系统具有一个突出的特点：高效节能和无污染。
要实现UPS产品的绿色化，最主要的工作是提高网侧功率因数以减少电力污染，其次是利用先进的变换技术改善功率开关器件的工作状态，以降低功率开关器件的损耗和开关器件在开与关过程中所产生的干扰。对小型UPS而言，要提高其网侧功率因数，可采用有源功率因数校正（APFC）方法，最成熟的就是采用升压型（Boost）功率因数校正（PFC），其基本结构如图0-8所示。要改善功率开关器件的工作状态、提高变换效率、减少干扰，可以利用软开关技术使功率开关器件工作在软开关状态。图0-8 Boost型PFC电路结构图0.4.3 智能化
智能化UPS的硬件部分基本上是由普通UPS加上微机系统组成。微机系统通过对各类信息的分析综合，除完成UPS相应部分正常运行的控制功能外，还应完成以下功能。
①对运行中的UPS进行监测，随时将采样点的信息送入计算机进行处理。一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中各部分的工作状态，从中分析出电路各部分是否工作正常。
②在UPS发生故障时，根据检测的结果，进行故障诊断，指出故障的部位，给出处理故障的方法与途径。
③完成部分控制工作。在UPS发生故障时，根据现场需要及时采取必要的自身应急保护控制动作，以防故障影响面的扩大。此外，通过对整流部分的控制，按照对不同蓄电池的不同要求，自动完成对蓄电池的分阶段恒流充电。
④自动显示所检测的数据信息，在设备运行异常或发生故障时，能够实时自动记录有关信息，并形成档案，供工程技术人员查阅。
⑤按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件。
⑥能够用程序控制UPS的启动或停止，实现无人值守。
⑦具有交换信息功能，可随时向计算机输入信息或从计算机获取信息。第1章 UPS控制电路基础
本章主要介绍在UPS中已得到广泛应用的电压比较器、运算放大器、触发器、555时基集成电路、单片机及DSP等常用控制电路及器件。1.1 电压比较器1.1.1 理想运算放大器
运算放大器是一种高增益的直接耦合放大器。它具有极高的电压放大倍数，其典型的开环放大系数一般可达到20万倍左右。这种器件一般具有两个输入端和一个输出端。其电路符号如图1-1所示。其中，“+”代表同相输入端，“-”号代表反相输入端。图1-1 标运算放大器的符号
理想运算放大器是指它的各项性能参数指标都等于理想值的放大器。理想运算放大器的主要标志如下：
·开环电压增益系数无穷大；
•输入阻抗无限大；
•输出阻抗为零；
•输入失调电压为零；
•共模抑制比无限大；
•频率响应好，频带宽度无限大。
理想运算放大器的输入-输出特性应满足下述关系：V=G（V-V）oOLpn式中 G——运算放大器的开环增益系数；OL
V——运算放大器同相端的输入电压；p
V——运算放大器反相端的输入电压；n
V——运算放大器输出端的输出电压。o
理想运算放大器有以下两个重要的特性。
①由于运算放大器的开环增益系数G为无穷大，所以V-OLpV=V/G=0，即对于理想运算放大器来说，其两个输入端之间的电noOL压差等于零。
②由于理想运算放大器的输入阻抗为无穷大，所以对理想运算放大器来而言，其输入偏流和流入（流出）运算放大器输入端的信号电流都等于零。然而对实际的运算放大器而言，两个输入端都存在有从微安到微微安数量级的微小输入电流。这个电流能引起运算放大器的不平衡，从而在运算放大器的输出端产生电压输出。当然输入偏流越低，运算放大器的不平衡也就越小。早期生产的运算放大器由于偏流较大，往往需要复杂的偏流调零电路。随着半导体制备技术的飞跃发展，目前生产的绝大多数运算放大器都不再需要附加特别的调零电路，所以使用起来相当方便。
目前常用的运算放大器按其供电方式来讲，有单电源供电（典型值为+3～40V）和双电源供电（±18V）两种。在使用双电源供电运算放大器与其他的单电源供电的MOS器件（例如各种门电路、触发器和计数器等）相连接时，务必注意，对于双电源供电的运算放大器而言，可能会有很大的负信号被送到下一级MOS器件上，因此在电路上应有保护措施。1.1.2 电压比较器
由运算放大器构成的各种电压比较器在小型UPS电源中得到了广泛应用。它们一般被用于UPS电源的过压、过流保护电路，脉宽调制控制电路及开关电路中。
电压比较器的基本功能是将一个输入电压同另一个输入电压在电压比较器的两个输入端进行电平比较，图1-2所示的是一个基本电压比较器。由于电路处于开环工作模式，因此它的放大倍数很大。只要在电压比较器的两个输入端之间出现任何微小的电压差，就会使得运算放大器的电压输出达到饱和值。当反相端的输入电压比同相端的输入电压相对为正电压时，运算放大器的输出端将转向负饱和电压（-V）。同样，当反相输入端的电压相对于同相端输入电压为负时，饱和它的输出将转向正饱和电压（+V）。饱和图1-2 标电压比较器
在UPS控制电路中，电压比较器经常被当作电平检测器来使用，一个不为零的特殊电平可用作电压比较器的参考基准电平。图1-3所示的是一个正电平检测器。它用运算放大器的反相端来测定变化电压——被测电平变化。同相端用一个电阻分压器网络来建立基准电压（V）。电阻分压器接在正电源（+9V）与地之间。基准电压的大小ref可由下式来确定：图1-3 正电平检测器
若将图1-3中的R、R和V的值代入上式可得：231
即同相端对地的电位为+2.8V，只要反相端电压低于+2.8V，运算放大器的输出就为正饱和电压+9V。一旦反相端的输入电压值大于同相端的参考基准电平+2.8V时，电压比较器的输出便转换成负饱和电压-9V。这一变化表明：这个电压比较器具有检测反相端的输入电平是否大于或小于2.8V电平的能力。
同理，如果把电阻分压器改接到负电源（-9V）与地之间，此时如果仍将变化电压输入到电压比较器的反相输入端，就构成一个负电平检测器。在此情况下，V对地是-2.8V电平。若反相输入端的电压ref比参考电压V高，则运算放大器的输出将是一个负饱和电压-9V。一ref旦检测到反相端的电压比V（-2.8V）参考电平还低时，电压比较器ref的输出将立即转换成正饱和电压+9V。
电平检测器也可以设计成用同相端作输入测定端，而将参考基准电压加到反相输入端的电路型式。这时与上面所讨论的检测器相比，输出电压的极性刚好相反。1.1.3 具有滞后特性的电压比较器
中、小型后备式UPS在进行市电供电与逆变器供电之间相互转换控制过程中，如果市电供电并未中断，但是由于某种突发原因（如大负载突然并入电网）使电网电压下降时，UPS将自动地把对负载的供电从市电供电转换到由蓄电池支持的逆变器供电状态（目前一般UPS的电压转换点定在170V左右）。如果在对输入交流电压进行电平检测时，在控制线路中采用一般性能的电压比较器，假若又遇到市电电压下降到UPS电源的自动转换切换点附近时，就有可能产生UPS在市电供电与逆变器供电之间进行不正常的频繁切换的问题，这种频繁的切换运行会造成对后级负载供电的严重干扰。为了避免这个问题产生，一般在UPS电源设计中都采用当市电电网电压从220V下降到170V时，UPS电源自动地从市电供电转换到由逆变器供电，但当电网电压由低变高并上升到170V时，让UPS电源仍然处于逆变器供电状态，即不产生由逆变器供电到市电供电的任何转换动作，只有当电网电压上升到180～185V时，UPS电源才重新恢复由市电供电。能完成上述转换功能的比较器有双极限电压比较器和带滞后特性的电压比较器。
双极限电压比较器如图1-4所示，被检测的正弦波信号被同时送到运算放大器IC的反相输入端和运算放大器IC的同相输入端。将基12准电压V送到运算放大器IC的同相端，基准电压V被送到运算放大211器IC的反相端。若电压V>V，对运算放大器IC来说，在t到t期间，221114送到反相端的正弦波电压值比加在同相端的基准电压V低，所以在2运算放大器IC的输出端将输出正饱和电压V。同理，对运算放大器13IC来说，在0到t和t到t期间，送到同相端的正弦波电压值比反相端2236的基准电压V高，因此，在运算放大器IC的输出端将同样有正饱和12电压V输出。来自运算放大器IC的电压V和来自运算放大器IC的电4132压V，经由二极管VD 1和VD组成的与门输出，得到一串脉冲宽度为42t～t，t～t，t～t……的正脉冲。这样一串脉冲仅在正弦波电压大214365于基准电压V、小于基准电压V时才出现，从而构成所谓的双极限12电压比较器。有了双极限电压比较器后，就可对市电电网进行瞬时的电平检测。这是UPS电源能对市电电压变化产生快速反应的重要基础。图1-4 双极限电压比较器
另外一种特殊电压比较器是所谓具有滞后特性的比较器。这种比较器的参考基准比较电平是随比较器的输入电平变化方向的不同而有所改变的，它的输入和输出电压变化关系如图1-5（a）所示。图1-5 带滞后特性的电压比较器
当输入电压V从零上升至电压V时，比较器的电压输出将从高电ix平V下降至低电平0V。如继续增大输入电压V，比较器的输出将一直oi维持在低电平状态。相反，假如降低输入电压V，当输入电压V下降ii到V=V时，比较器的电压输出并不会上升到高电平V。这一点是明ixo显区别于一般电压比较器的特殊功能。只有当输入电压V下降到V时，iz比较器的电压输出才重新返回到高电平V，即比较器输入电压的上o升转换点和下降转换点之间有一个电压差，这样在输入电压和输出电压变化之间形成所谓的滞后特性。
能实现带滞后特性的电压比较器的工作原理如图1-5（b）所示。由电源+V、电阻R和稳压二极管所组成的稳压线路产生一个参考基c4准电压V。电压V被送到比较器的同相输入端。被测信号V经电阻zzaR和R及电位器R分压后再经电阻R被送到比较器的反相输入端。1325这样一来，就在比较器的反相端输入一个V控制信号。当输入信号iV 上式意味着这时的电压比较器同相端的基准参考电位V比V要高xz出一个ΔV（ΔV=V-V）。只有当输入电压V>V时，比较器的输出xzixV才有可能从高电平转换到低电平0V。一旦比较器的输出电压变为out0V，则二极管VD将从正向导通状态转而处于反向偏置状态，这时比较器同相输入端的参考基准电压将从V重新返回到V值。因此，当输xz入电压V从大向小变化，下降到V=V值时，电压比较器的电压输出iix将一直维持在原来的低电平上，并不发生任何变化。只有当输入电压下降到满足V<V时，比较器的输出才重新回到高电平V状态。izo
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]