不间断电源UPS电源设计方案

2025-12-08 09:32:02

摘要：现在，电力体系的继电保护、微机操控和事端照明等设备都需要沟通不连续电源供电，根据电力体系的运转特点，UPS作为电源的一个独立领域由开始的飞轮动态储能式到今天的多类型多品种的旋转式、停止式、动态结合式、后备在线交叉式等等。无论是逆变电源仍是UPS由于受综合自动化体系品种繁多的通讯规约和报文格式的限制或受综合自动化体系通讯接口数量的限制而无法完成远程监控。选用UPS相同会有缺点，便是UPS内部含有的蓄电池平时无专人维护，一旦需要电池供电时，很可能由于蓄电池的容量不足或破坏而无法供电。下面在分析不连续供电的原理的基础上，提出本课题的全体规划方案。

关键词：沟通不连续电源、整流、逆变、功率改换、蓄电池

1基本概念

电力专用沟通不连续电源体系分为电力专用UPS体系和电力专用逆变器电源体系。电力专用是指直流输入取自直流操作电源的蓄电池组，而且直流输入与沟通输出之间的绝缘及耐压等需要满意电力体系的要求。

电力专用UPS是指含有整流器和逆变器，正常运转时沟通输入经整流器变成为直流电后再经逆变器为规范正弦波输出，电网停电时无连续地切换至蓄电池供电。电力专用UPS适用于在线式运转，在牢靠性要求高的场合可选用双机热备份方法。电力专用逆变电源：仅含有逆变器，价格比电力专用UPS要低。逆变器相同也有两种，一种是在线式，另一种时后备式。3kV以下的小容量由于直流输入的电流不大，能够考虑在线式运转。

1.1电力专用UPS的特殊要求

1、关于电力专用沟通不连续电源体系的直流输入取自直流操作电源体系，而直流操作电源是个不接地体系，这就要求沟通侧的任何毛病均不能影响到直流母线，更不能够形成母线接地。

2、由于电力专用沟通不连续电源体系是一个集中供电的体系，经配电屏后将有几十回线路的输出，这就要求它不允许某个电力设备的短路毛病导致整个体系停电。必须确保足够的容量在负载短路的状况下能使毛病回路断路器跳闸，然后确保其它回路的正常供电。这就需要馈出开关选择要有严厉满意级差合作。

3、需要装备旁路开关以保障UPS修理以及在替换的过程中体系能正常供电，而且在任何运转状态下操作修理旁路开关均不能损坏设备。

4、信号模仿屏处指示设备运转工况外，还应具有辅导操作者的功用。然后确保操作者按信号模仿屏的知识进行操作，不会由于误操作导致停电的事端。

2UPS电源不连续供电的原理

2.1负载连续供电的原因

形成负载连续供电的原因有许多，概括起来，主要有:

1）沟通输入电源（市电）忽然发生停电。形成这种忽然停电的原因较多，如：用户发生毛病或事端，形成电源跳闸；雷击形成短路而跳闸，或许由于雷击引起输电线开裂；鸟害引起开裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。

2）沟通输入电源发生瞬间停电。

3）电源设备发生毛病而中断供电。

2.2电力专用UPS体系组成

UPS体系主要是继电保护和计算机类智能化设备供电，要求高安稳性和高牢靠性，因而选用双机热备份供电方法。

2.1.1UPS电源体系应装备两台UPS电源，构成双机冗余供电体系。

2.1.2UPS电源体系应选用组屏方法。

2.1.3UPS电源沟通输入、沟通输出端应别离装备两台阻隔变压器，直流输入端装备防反充电二极管，完成沟通输入、直流输入、沟通输出三端完全电气阻隔。

2.1.4UPS电源体系输入端宜装备相对地、中性线对地保护形式，标称放电电流不小于10kA(8/20µs)的沟通电源限压SPD（沟通电源防雷器），所有电源SPD都宜串联相匹配的联动空气开关以便于替换SPD和避免SPD损坏形成的短路，空气开关的额定电流为63A，SPD正常或毛病时，应有能正确表示其状态的标志或指示灯。

2.1.6UPS电源容量装备原则：

(1)每台UPS输出额定功率应不小于1.2倍全部负载额定功率的总和。

(2)UPS电源容量应满意最大功率负载的起动电流需求。

(3)UPS电源容量（Sn）与输出额定功率（Pn）关系为：Pn(kW)=0.8Sn(kVA)

UPS电源容量装备：500kV、220kV、110kV变电站每台UPS电源容量可别离按10kVA、5kVA、3kVA对应选取。

2.1.7逆变器中心器材组装成模块化结构设备，可单独取出检修。

2.1.8每台UPS沟通输出馈线最多满意30路，其间500kV变电站馈线开关20A4路、10A16路、6A10路；220kV、110kV变电站馈线开关10A20路、6A10路。

2.2整流/充电器规划方案

2.2.1本规划中整流器和充电器合二为一，这主要是从功率大这个因素考虑的。为完成大功率整流和充电的需要，规划中凭借于可控整流器材SCR，选用三相全控桥式整流充电电路，然后大大进步了牢靠性、降低了造价。操控电路选用16位INTEL96系列的80C196单片机，操控简洁、便利、牢靠。

三相四线380V沟通电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压阻隔、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。微机(80C196单片机体系)操控回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。

2.2.2.整流/充电器的操控原理

在UPS不连续电源中的整流器，除了供应逆变器直流输入外，还须完成对蓄电池的常规充电、快速充电、浮充电的功用。因而整流器的输出是随着UPS不连续电源作业状态的改变而改变。下面详细阐明如何调理整流电路的输出。

从公式2-1可看出，调理晶闸管的操控角即可调理整流输出。

整流器提供应逆变器的直流输入必须是安稳的，这样才能有利于逆变器的正常作业，为此在规划中引入了电压负反馈并选用了PID操控算法。即经过电压传感器对整流输出电压进行取样，与期望值进行比较，根据差值进行PID操控，然后完成整流输出的安稳。

2.3逆变器规划方案

逆变器的功率单元选用IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元选用日本富士公司出产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变操控体系规划选用冗余规划方案：两套由INTEL公司出产的16位微处理器80C196MC组成的操控体系1#和操控体系2#(两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。

逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变操控体系SPWM操控方法下发生SPWM脉冲波输出，再经特殊规划的阻隔变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)阻隔、滤波后发生稳压稳频的正弦沟通电输出。其间K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为完成负载不连续供电而设置的转换开关。

1.三相桥式逆变电路

逆变最基本的电路便是桥式电路。三相桥式逆变电路原理电路如下图所示。

图中的开关S1--6代表实践电路中的电力电子功率开关器材。只需开关依照必定的规律断开和闭合就能将直流电变为沟通电。

图三相桥式逆变电路原理图

在实践电路中，开关的切换(换相)经过换相电路或操控脉冲来完成。换相是逆变电路中一个十分重要的概念，由于实践电路中的电力电子开关器材并不是抱负开关，它们的注册和关断必须在必定的操控条件下进行。无论是全控型仍是半控型电力电子器材,只需给操控极适当的信号，就能够使其导通；可是关断时的状况就不同,全控型器材能够用操控极信号使其关断，而半控型的器材，必须选用必定的外部条件或措施才能使其关断。关于有自关断才能的器材来说，换相可经过本身来完成，称为器材换相；否则要凭借其他手段来完成换相，如电网换相、负载换相、电容换相。

在本UPS不连续电源规划中，逆变器的直流输入侧来自整流器的整流输出或许蓄电池的直流输出，属于电压源，因而本规划中的逆变电路属于电压型逆变电路。它一般选用导电形式，即在一个周期内每个臂导通。

2.操控方法

电压型逆变电路的典型操控方法有相控和PWM操控两种。

相控是指操控触发脉冲的相位，即脉冲触发时刻来改变输出电压脉冲的宽度，然后得到调理逆变输出电压的效果。这种操控方法输出电压为矩形波，其间含有较多的谐波，对负载有不利的影响；且功率因数不高，调理时动态呼应慢。

选用PWM操控方法能够较好地战胜上述缺点。

PWM(PulseWidthModulation)即脉冲宽度调制操控方法便是对逆变电路开关器材的通断进行操控，使之输出一系列幅值持平、宽度不等的脉冲，用这些脉冲来替代正弦波或所需要的波形。依照必定的规矩，对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变输出电压的巨细，又可改变输出频率。理论和实践证明PWM逆变电路具有很强的谐波按捺才能。同时，它还具有下列特点：

(1)逆变输出波形挨近正弦波；

(2)动态呼应快；

(3)功率因数高。

随着自关断器材的呈现并成熟后，PWM操控技能得到了很快的发展，PWM型逆变电路获得了广泛的使用。如今，PWM操控技能己成为电力电子技能中一个非常重要的组成部分，它对进步电力电子设备的性能，推进电力电子技能的发展起着巨大效果。

2.4旁路电源规划方案

旁路电源是UPS不连续电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和修理旁路电源。静态旁路是指使用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来完成逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。由于快速继电器的动作时刻至少为几毫秒，不能满意不连续供电的要求，而静态开关的导通和关断时刻仅为数十微秒，因而可完成负载的不连续供电。修理旁路电源是为电源设备检修、修理时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。

结论

本UPS不连续电源体系的特点有如下几方面:

1.先进的功率改换技能

(1)整流/充电器选用整流器和充电器合二为一的规划方案。整流/充电主回路选用三相桥式全控整流电路，整流器材选用晶闸管，简化了功率电路规划，虽然增加了操控部分的成本和复杂性，但从全体性价比来考虑，仍节约了成本。

(2)逆变器选用了以绝缘栅双极晶体管IGBT为功率开关器材的正弦脉宽调制SPWM型桥式逆变电路。逆变功率开关器材选用具有自关断才能的复合型器材IGBT，既符合中大功率和SPWM操控的要求，又简化了驱动电路。IGBT作为电压操控元件，更易完成微处理器及数字信号的操控，使逆变器结构简化，也进步了逆变器的牢靠性。IGBT的频率开关特性使UPS逆变器的作业频率进步到2KHz--10KHz，极大地改进了逆变器的性能(高频率低噪声、小体积)。