中级通信工程师

本文整理了2014年中级通信工程师考试《设备环境》相关知识点，希望能够帮助您更好的全面备考2014年通信工程师考试!

 6.2 不间断电源的主要电路

6.2.1 UPS电源的输入整流电路

UPS电源的交流输入整流电路?般为桥式全波粮流电路，如图6-4所示。图6-4中整流电路采用可控晶闸管半控桥式电路，可通过控制晶闸管的导通角来稳定整流输出电压，并可作为电池组充电器。由于这种电路属于整流非线性电路，而且又采用移相式控制，所以输入谐波电流较大，功率因数低，这种输入电路一般用在lOkVA以下的UPS电源中。

另一种输入电路为升压斩波整流电路，如图6-5所示。阁6-5中整流二极管VD-VD4组成桥式全波整流电路，开关管VT,的PWM驱动是跟踪输入电流的正弦波控制，使交流输入电流波形为正弦波，谐波电流成分有很大改善，而输入功率因数接近于1。这种输入电路在UPS电源中应用较多，尤其是输出容：软3kVA-20kVA的笮相输入UPS电源多采用此种电路。

对于三相输入的UPS电源的输入电路一般采用6脉冲晶闸管相控整流器，如图6-6所示。对于输出端无隔离变压器的UPS电源，为了实现UPS电源输入与输出之间的隔离，在AC/DC整流输出与DC/AC逆变器输入电路之间采用了DC/DC变换器。输入与输出之间利用变换器的高频变压器进行隔离。

6.2.2 UPS电源的逆变电路

逆变器是双变换在线式UPS电源的重要组成部分，其直接影响到UPS整机的可靠性和输出电器指标的优劣。

大多数情况，我们希望UPS输出50Hz的正弦交流电，所以要求其逆变电路为正弦波逆变电路。逆变电路实现输出为正弦的方法很多，主要有以下三种。

(1)阶梯波逆变器。由于逆变电路得到矩形波相对容易，我们可以利用不同相位的矩形波叠加的方式得到一个近似正弦波的阶梯波。阶梯越多，其所含正弦分量就越多。

(2)多脉冲调制逆变器。多脉冲调制法的基本原理是用一组等高不等宽的矩形脉冲等效正弦波。具体方法是将正弦波沿横轴分割为若干等份，每一个等份包含的正弦面积用一个相同面积的矩形波来代替，这些矩形波组成的半个周期波形便与半个周期正弦波等效。

(3)正弦脉宽调制(SPWM)逆变器。

下面就简单介绍一下正弦波PWM逆变器的工作原理，如图6-7所示。功率开关管构成全桥式电路的四个桥臂，输出电感L与电容C组成高频滤波器。全桥式电路的直流供电来自前级DC/DC高频变换器。当功率开关管VT,和VT3在PWM驱动下导通时，输出电流/01通过滤波电感L为负载供电而形成交流电压和电流的正半周，VT,与VT3关断时，电感L的储能通过负载、VD2电源S及VD4续流释放。负半周时，功率开关管VT2与VT4以PWM驱动方式导通，输出电流化2则以相反的方向流过负载，VT2与VT4关断时电感L的储能通过VD1、E、VD3及负栽续流释放。因此在一个周期内负载获得了交流供电。

这种电路中功率开关管VT1-VT4的驱动控制方式一般采用三角波与正弦波比较产生的PWM方式。

三角波与正弦波相比较而产生的PWM控制信号如图6-8(a)所示。由图6-8中可以看出正弦波与三角波经过电压比较器后所产生的PWM驱动信号的宽度与正弦波的幅度成正比，如图6-8(b)所示。当用此PWM驱动信号去控制逆变器中的VTi和VT3的通断时，可在全桥式电路得到与驱动脉冲宽度相等，幅度等于逆变器输入直流电压值的一串方波电压，此一串方波电压经过滤波电感L和电容C后，按照其调制脉冲宽度规律还原为与基准正弦波相近的波形。这种正弦波PWM逆变电路较多地应用于中大型UPS电源中，其工作频率一般在15kHz左右，提高工作频率有利于改善输出正弦波波形和负载动态响应。

UPS单相逆变电路可以有推挽式、半桥式和全桥式等，均用于中小型UPS系统中;大型UPS的逆变电路往往采用三相逆变电路。目前大功率三相UPS的输出端一般都带有隔离变压器，这种UPS与负载隔离，具有较好的短路特性。

为保证UPS电源安全稳定的工作，UPS中使用的逆变器不仅仅将直流电简单地变换为交流电输出，还应具有以下功能。

(1)保证UPS输出电压稳定。由于负载的变化、输入电压的被动以及元器件的老化等因素的影响，要实现UPS输出电压的稳定，UPS电源的逆变器应有自动调压的能力。在逆变器中，常采用移相控制的方法和脉宽调制(PWM)的方法实现对输出电压的自动调节。

(2)大功率在线式UPS-般要求正弦波输出，所以在逆变器电路屮要加滤波器。如果逆变器输出波形中谐波成分较多，特别是低次谐波的含量大时，滤波器的电感量、电容量就要增大，导致滤波器的体积、重量增大，电路动态响应变坏。因此，在晶体管、场效应管逆变器中，多采用正弦波脉宽调制技术，通过提高开关管的工作频率减少谐波，或使逆变器输出阶梯波代替方波，来减少谐波分量。

(3)为了使UPS实现同步切换和并机运行，逆变器的输出交流电应与市电或并机运行UPS锁相同步，因此UPS逆变器输出交流电的频率、相位应方便可调。

(4)要求逆变器的效率要高，动态特性好，触发控制电路简单，元器件及材料消耗要少，并且维护容易，成本低等。

UPS交流滤波器应具有以下性能。

(1)输出电压中单次谐波含量和总谐波含量降到指标允许的范围内。

(2)在三相条件下，使输出电压不平衡度符合规定范围。

(3)使负载变化引起的输出电压波动小，且满足动态指标，同时要重量轻、体积小。

6.2.3 UPS电源的静态开关和锁相电路

1.静态开关

以在线式UPS静态开关的质量、切换性能的优劣以及在UPS电源整机中的工作环境是否能满足其要求，将直接影响UPS的可靠性。所以静态开关是UPS电源中的重要部件。

大多数UPS电源的静态开关是由两个反向并联的晶闸管组成的，如图6-9所示，其工作原理较为简单，当其输入端为正弦波电压正半周时，晶闸管VS,的栅极触发脉冲使V&正向导通向负载及提供正半周供电。当输入端电压为负半周时，晶闸管VS2承受正向阳极电压，乂&在反向阳极电压下关断，vs2的栅极触发脉冲到来时，vs2正向导通，负载及上流过与正半周相反的电流。

UPS电源中逆变器输出静态开关与旁路静态开关的并联工作方式如图6-10所示。当逆变器正常工作时，通过静态开关&为负载R供电，逆变器因故障退出供电时，静态开关关断，旁路静态开关导通继续为负载供电。这种静态开关与其检测控制电路配合使用，可使大中型UPS电源的逆变到旁路切换的时间达到1ms甚至更短。一般大中型UPS电源为了在主机检修时不中断对负载的供电而设置了检修旁路开关。

UPS电源逆变器输出静态开关、自动旁路静态开关和检修旁路开关的连接方式如图6-11所示。UPS电源正常工作时逆变器的输出静态开关灸导通为负载供电。当检修时先将逆变供电方式转为自动旁路供电，这种切换方式是UPS电源所必有的功能，所以切换时间极短而且可靠。切换到自动旁路后市电通过静态开关s2为负载供电，此时可将检修旁路开关&闭合与自动旁路静态开关S2并联为负载供电。由于次与灸并联在同一相市电上，所以其输出必然同频率、同相位、同幅度。而后将自动旁路开关灸断开改为由检修旁路开关S1供电，UPS主机已完全退出供电，便可对UPS各部分进行维护检修。当恢复逆变器供电时，可将自动旁路开关52投入工作，而后把检修旁路开关断开，最后将自动旁路供电状态切换为逆变器供电。

也有一些UPS电源在切换控制电路的时序上做了过渡设计，允许UPS电源由逆变器供电状态直接切换到检修旁路供电。以上所介绍的静态开关的切换条件必须是在逆变器的频率及相位跟踪市电功能正常的情况下进行切换。

当主备用电源产生切换时，两电源应保持同步，若频韦或相位存在差异，或两者电压不-样，则会造成负载波形异常：另外，由于主备用电源存在的输出电压差，还将会造成环流，严甫时会损坏静态开关及主电路中的逆变器件。因此，在UPS电源中需具有锁相同步电路，当市电电源频率超过UPS锁相同步电路所允许的同步窗口时，逆变器电源将不再跟踪市电电源，而回到UPS电源的本机振荡频率50Hz.事实上，配E了静态开关的UPS当发生逆变频率不跟踪市电电网频率时，当输出过载或UPS逆变器故阵时将会拒绝执行旁路动作，使输出中断。因此，UPS电源在频率指标中提出了频率跟踪范围、频率跟踪速度等指标。

保证同步切换方法如下。

(1)直接检测两电源电压的相位，以此作为切换时的一个控制信号。

(2)检测两电源的电压差，以此间接反映出相位差，产牛切换控制信号。

为防止切换时感性负载中出现浪涌而损坏元件，可通过检测主用电源在稳态电流过;时接通旁路电源，以实现安全切换。除此之外，还有其他切换条件，如主用电源的电压过商、过低，使旁路电源投入工作，但必须也对旁路电源电压进行检测，若旁路电压不正常，则发生禁止切换信号。又如负栽电流超过允许值时，电流检测电路发出切断静态开关信号，中断对负载供电，以防设备损坏。

2.锁相电路

锁相电路由三个基本部件组成，即鉴相器、低通滤波器和压控振荡器。

锁相电路用于检测两个交流电源的相位差并将它变成一个电压信号去控制逆变的输出电压相位与频率，从而保持逆变器与交流电源的同步运行。

控振荡器是一个振荡频率受某个控制电压控制的振荡器。鉴相器是一个相位比较器。它把输入信号相位与压控振荡器输出信号相位进行比较，输出一个反映两个信号相位差大小的误差电压，这个电压经低通滤波器。将误差电压中的高频成分和噪声滤除后，加到压控振荡器，使压控振荡器的频中向输入信号靠近，直至最后频率相等而相位同步实现锁定。

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