UPS系統(tǒng)中的電源解決方案

一、引言

UPS(Uninterruptible Power System)，即不間斷電源系統(tǒng)，是一種含有儲(chǔ)能裝置(通常為蓄電池)，以逆變器為主要組成部分的恒電壓、恒頻率輸出的不間斷電源系統(tǒng)。主要應(yīng)用于要求設(shè)備24小時(shí)供電的場(chǎng)合，如通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備等。當(dāng)市電中斷(事故停電)時(shí)，UPS立即將機(jī)內(nèi)儲(chǔ)能裝置的電能，通過(guò)逆變轉(zhuǎn)換的方式向負(fù)載繼續(xù)供應(yīng)交流電，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

二、UPS系統(tǒng)介紹及過(guò)程分析

圖一是個(gè)非常典型的UPS在地鐵中的應(yīng)用，從上圖中可以明顯看到，該系統(tǒng)包含配電柜、UPS電源和外置維護(hù)開(kāi)關(guān)，終端負(fù)載為各機(jī)電系統(tǒng)，如信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)、自動(dòng)列車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。配電柜的作用是對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行配電和控制，在電路出現(xiàn)過(guò)載、短路和漏電時(shí)，配電柜還可以進(jìn)行斷電保護(hù);外置維護(hù)開(kāi)關(guān)主要是在維護(hù)檢測(cè)過(guò)程中閉合，旁路掉UPS的電路，使電能從外置維護(hù)開(kāi)關(guān)的電路上通過(guò)，實(shí)現(xiàn)了在保證后端負(fù)載能夠得到正常供電的情況下不影響對(duì)設(shè)備的維護(hù);在市電異常，配電柜斷電的情況下，UPS電源通過(guò)儲(chǔ)能裝置給后端的設(shè)備供電。

UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖二，主要由五部分組成：電源輸入電路，進(jìn)行AC/DC變換的整流器，進(jìn)行DC/AC變換的逆變器，輸出切換電路以及蓄能電池。其系統(tǒng)的穩(wěn)壓功能通常是由整流器完成的。凈化功能由儲(chǔ)能電池來(lái)完成，由于整流器對(duì)瞬時(shí)脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲(chǔ)能電池除可存儲(chǔ)直流能量的功能外，對(duì)整流器來(lái)說(shuō)就像接了一只大容量電容器，其等效電容量的大小，與儲(chǔ)能電池容量大小成正比。頻率的穩(wěn)定則由變換器來(lái)完成，頻率穩(wěn)定度取決于變換器的振蕩頻率的穩(wěn)定程度。為方便UPS電源系統(tǒng)的日常操作與維護(hù)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)工作開(kāi)關(guān)，主機(jī)自檢故障后的自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，檢修旁路開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)控制。

下面結(jié)合UPS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析市電供電和斷電兩種狀態(tài)下UPS的工作過(guò)程：

1、市電正常時(shí)，交流電通過(guò)主電輸入端口，交流電輸入經(jīng)整流濾波變換成直流后，再通過(guò)SPWM逆變器逆變，然后交流電供給輸出，最后通過(guò)逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到用戶負(fù)載，形成整個(gè)供電的通路。在UPS系統(tǒng)中，之所以在市電供電的情況下還需經(jīng)過(guò)整流、逆變等電路，而不是直接由市電給后端的用戶負(fù)載供電，其目的是提高供電、用電的質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)整流后的直流也給予電池組充電，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖三，工作路線見(jiàn)圖中的標(biāo)示。

2、當(dāng)市電異常(斷電)時(shí)，主電輸入端口已經(jīng)沒(méi)有電能輸入，而是由電池輸入，通過(guò)SPWM逆變器逆變出交流電供給輸出，通過(guò)逆變靜態(tài)開(kāi)關(guān)切換到輸出給用戶負(fù)載，完成整個(gè)供電的通路。詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖四，工作路線見(jiàn)圖中的標(biāo)示。

三、電源解決方案分析

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，各功能電路的工作電源的重要性是不言而喻的，因?yàn)橐坏┕ぷ麟娫闯霈F(xiàn)故障，整個(gè)裝置就陷入癱瘓狀態(tài)，正常工作就無(wú)從談起，因此工作電源必須可靠、精確。

1、整流/充電電路：

整流/充電在UPS中主要由兩個(gè)作用：一是將交流電整流成直流電，經(jīng)濾波供逆變器使用，二是給蓄電池提供充電電壓，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電?？刂齐娐肥钦麄€(gè)整流/充電電路的核心，因?yàn)闊o(wú)論是整流直流輸出作為逆變器的輸入控制，還是給蓄電池充放電的控制，必須保證控制可靠、穩(wěn)定、有序，因此一般會(huì)采用微機(jī)控制為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與采集、脈沖輸出與同步，信號(hào)輸出等功能，見(jiàn)下圖五。

根據(jù)各個(gè)功能電路的特點(diǎn)，微機(jī)處理器、信號(hào)輸出和脈沖輸出的隔離光耦一般采用5V/1A供電，轉(zhuǎn)換A/D采樣電路一般為±15V/0.3A，而保護(hù)電路中的繼電器和后端驅(qū)動(dòng)電路可以采用24V/1A，前端直接通過(guò)接入市電供電，金升陽(yáng)提供的LH60-20B24URB2405YMD-6WR3URA2415YMD-10WR3的開(kāi)關(guān)電源能夠完美的解決此處的供電方案，具體的初步方案可以設(shè)計(jì)如下圖六：

2、逆變器---IGBT驅(qū)動(dòng)電路

逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟姡瑢?shí)現(xiàn)逆變的電路稱(chēng)為逆變電路，逆變器的主要功能就是將整流/充電器的輸出直流電壓變換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。逆變器主回路采用的是三相橋式逆變電路，控制方式采用SPWM調(diào)制方式，逆變功率器件選用IGBT。

IGBT屬于大功率開(kāi)關(guān)管，需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路才能滿足其快速開(kāi)通和關(guān)斷，且IGBT需要的驅(qū)動(dòng)電壓一般為﹢15V和-9V，同時(shí)要考慮到每個(gè)驅(qū)動(dòng)要隔離供電，不能共用一個(gè)電源，因此前端的直流供電可以采用24V的輸入，金升陽(yáng)可提供URB2415LD-20WR3開(kāi)關(guān)電源和QP12W05S-37 IGBT驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)換成電源供電方案的電路設(shè)計(jì)如下圖七：

以上圖六和圖七推薦的電源方案為廣州金升陽(yáng)的隔離型開(kāi)關(guān)電源及驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)，具備高隔離耐壓、小體積、耐高溫和寬電壓輸入等特點(diǎn)，很好的滿足了UPS系統(tǒng)各部分供電的要求。電源模塊的隔離功能能夠減少負(fù)載與負(fù)載間的相互干擾，同時(shí)在高壓逆變電路中起到了安全保護(hù)的作用，另一方面開(kāi)關(guān)電源具有高效率、穩(wěn)壓、高精度的特性，能更好的保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

四、總結(jié)

UPS在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中是不可缺少的，為生產(chǎn)、生活做了不少的貢獻(xiàn)，新一代更便捷、更智能的UPS系統(tǒng)是研發(fā)工程師開(kāi)發(fā)的方向。同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的電源解決方案將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中除了實(shí)現(xiàn)和完善其功能外，還要保證工作電源其方案的穩(wěn)定性和可靠性。