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在线式UPS的原理分析
On- line UPS Principle Analysis
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1在线式UPS工作原理
电路结构如图3-1所示,输入滤波器实质上就是EMI滤波器,一方面滤除、隔离市电对UPS系统的干扰,另一方面也避免UPS内部的高频开关信号“污染”市电。
在线式UPS不论是由市电还是由蓄电池供电,其输出功率总是由逆变器提供。市电中断或送电时,无任何转换时间。
平时,市电经整流器变成直流,然后再由逆变器将直流转换成纯净的正弦电压供给负载。另一路,市电经整流后对蓄电池进行充电。正常供电时的工作原理见图3-1(a)。
图3-1(a)正常供电时在线式UPS工作原理示意图
一旦市电中断时,转为蓄电池供电,经逆变器把直流转变为正弦交流供给负载。市电中断时的工作原理见图3-1(b)。
图3-1(b)市电中断时在线式UPS工作原理示意图
图3-1(c)市电正常而逆变器故障时的工作原理示意图
在市电正常供电状态下,若逆变器出现故障,则静态开关动作转向由市电直接供电,此时的工作原理见图3-1(c)。
如果静态开关的转换是由于逆变器故障引起,UPS会发出报警信号;如果是由于过载引起,当过载消失后,静态开关重新切换回到逆变器输出
端。 2在线式UPS充电电路
虽然后备式UPS中的恒压充电电路具有电路简单、成本低廉等优点。但这种充电电路使蓄电池组初期充电电流较大,影响蓄电池的寿命。所以在在线式UPS中一般采用分级充电电路,即在充电初期采用恒流充电,当蓄电池端电压达到其
浮充电压后,再采用恒压充电。在线式UPS蓄电池的典型充电特性如图3-2所示。
图3-2在线式UPS蓄电池理想充电过程
图3-3 小型在线式UPS充电电路
图3-3所示为小型在线式UPS的常见充电电路,该电路的工作原理如下: 变压器将市电电压由220V降到110V,经整流滤波后变成140V的直流电压U1,这个电压分成两路:一路由R1降压和V1、V2稳压后,得到18V左右的电压U2,加到集成控制器(UC3842)的7端,作为该控制器的辅助电源;另一路经电感L1后加到场效应管V3的漏极。V3工作在开关状态,是个提升式(BOOST)开
关稳压器,当UC3842的6端输出一正脉冲方波时,V3导通,电压U1几乎都降在电压L1上,通过L1的电流等于漏极电流ID,当正脉冲方波过去后,在该脉冲的后沿激起一个反电势电压Δu。这个反电势电压的方向正好与整流电压U1相叠加,经过二极管V4的充电电压UO为:UO=U1+Δu
这样,蓄电池就得到了足够的充电电压,因为Δt和ΔID由电路参数决定,该充电电压是固定不变的。随着电池组的充电,当其端电压提高到
设定值后,再经R7送到RP及R5组成的分压器上,经分压后的反馈信号送到UC3842的输入端2,经过该信号的控制,使6端输入脉冲的频率降低,这样一来充电电压的平均值比原来减小,于是充电的电压被稳定下来。
电流的控制过程是这样的:电流的采样信号是由V3源极上的R10取得的,当充电电流增大时,由于对应频率的增加,V3开关频率增加,在R10上通过电流所造成的电压平均值增大,这个增大了的电压US经R11、C6平滑后送到UC3842的3端,使6端输出脉冲的频率下降,从而也稳定了电流。
由上述可见,这个充电电路实际上是个具有限流稳压功能的开关电源,只要将额定电压、浮充电压、恒流充电电流设置恰当,就能使蓄电池的充电过程基本上沿着理想的充电曲线进行,从而延长蓄电池的使用寿命。
3在线式UPS逆变器
——正弦脉宽调制
正弦脉宽调制是根据能量等效原理发展起来的一种脉宽调制法,如图3-4所示。
为了得到接近正弦波的脉宽调制波形,我们将正弦波的一个周期在时间上划分成N等份(N是偶数),每一等份的脉宽都是2π/N。在每个特定的时间间隔中,可以用一个脉冲幅度都等于UΔm、脉宽与其对应的正弦波所包含的面积相等或成比例的矩形电压脉冲来分别代替相应的正弦波部分。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。
图3-4正弦脉宽调制的能量等效图
(a)调制电路
(b)波形图
图3-5正弦脉宽调制法调制电路及波形图
在实际的小型UPS中,常用图3-5(a)所示的用比较器组成的正弦脉宽调制电路来实现上述脉宽调制的目的。若将三角波脉冲送到比较器的反相端,将正弦波送到比较器的同相端,则在正弦波电压幅值大于三角波电压时,比较器的输出端将产生一个脉宽等于正弦波大于三角波部分所对应的时间间隔的正脉冲。于是在电压比较器的输出端将得到一串矩形方波脉冲序列。假设三角波的频率fΔ与正弦波的频率f~之比为fΔ/f~=N(N称为载波比),为了