【正文】 S逆變電源的供電能力。為此，要求UPS供電系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求:由于UPS單機(jī)本身的故障率低，因此目前大型UPS產(chǎn)品的平均無故障工作時(shí)間(MTBF)為20萬～40萬小時(shí)。在整套UPS供電系統(tǒng)中，不應(yīng)存在單點(diǎn)瓶頸故障隱患。萬一在用戶設(shè)備端出現(xiàn)短路故障時(shí)，應(yīng)將故障的影響縮小到盡可能小的范圍。大量的運(yùn)行實(shí)踐表明:電源干擾問題是造成設(shè)備的“可利用率”下降的重要原因之一。這是因?yàn)榕渲迷贗DC和MDC機(jī)房內(nèi)的服務(wù)器、磁盤陣列機(jī)和交換機(jī)等均內(nèi)置有開關(guān)電源，這種整流濾波型非線性負(fù)載會(huì)向UPS供電系統(tǒng)反射3～23次低次諧波干擾，可能帶來降低話音質(zhì)量的惡果。由此可見，高速信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)UPS供電系統(tǒng)所能提供的電源質(zhì)量提出更為嚴(yán)格的要求。而就在飛速發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)品和電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)生了UPS這一貼近生活，應(yīng)用廣泛的科技產(chǎn)品。供電的可靠性和穩(wěn)定性已經(jīng)成為保障經(jīng)濟(jì)增長和滿足用戶需求的重要問題。保障供電的穩(wěn)定性也是改善內(nèi)外部投資環(huán)境、滿足人民日益增長的生活水平以及提升綜合國力的重要體現(xiàn)。我國市電起初主要在殖民地使用，大部分為日本的殖民地，其中東北的電網(wǎng)最大，約占全國的50%。至解放前，我國還是多種電壓和頻率并存，主要是與發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)國制式有關(guān)。50Hz。另一方面，因?yàn)槲覈鴩练鶈T遼闊，供電半徑要比美洲國家大，出于降低能耗，減少農(nóng)村、山區(qū)用電成本的目的，我國采用的是比美洲發(fā)達(dá)國家更高的市電電壓制度。 圖21 UPS簡化結(jié)構(gòu)1）交流輸入電源突然發(fā)生停電。供電線路突發(fā)性故障停電電從發(fā)電廠經(jīng)過輸電線路，變配電站一直到用戶家中的許多環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)出了故障，遭到外力破壞，或遇到不可抗拒的自然災(zāi)害，都會(huì)造成停電事故?？傞l、分閘等內(nèi)部設(shè)備故障，樓內(nèi)線斷線、空氣開關(guān)跳閘等都會(huì)造成停電。3）電源裝置發(fā)生故障而中斷供電 電網(wǎng)諧波危害諧波的產(chǎn)生,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉分析原理證明,每個(gè)諧波都具有不同的頻率、,第7次編號(hào)的為奇次諧波,而8等為偶次諧波,如基波為50Hz時(shí),2次諧波為100Hz,由于對(duì)稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,出現(xiàn)的諧波電流是6n次諧波,例如11119等,變頻器主要產(chǎn)生7次諧波.從結(jié)構(gòu)上來看,在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓U0,U0的幅值決定于各整流裝置的控制角,. 間接變頻器有三種不同的結(jié)構(gòu)方式: (1)用可控整流器變壓,用逆變器變頻,調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行,兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。無論哪一種變頻器,都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件,不管采用哪種整流方式,變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波,而是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流,這種脈動(dòng)電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動(dòng)電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上,使電壓發(fā)生畸變,經(jīng)過傅里葉級(jí)數(shù)分析可知,這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成.諧波的危害一般來講,變頻器對(duì)容量相對(duì)較大的電力系統(tǒng)影響不很明顯,而對(duì)容量小的系統(tǒng),諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視,主要表現(xiàn)在:(1),使線路電阻隨頻率增加而提高,造成電能的浪費(fèi)。(2)、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲。(3),系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多,不會(huì)產(chǎn)生諧振,但諧波頻率時(shí),感抗值成倍增加而容抗值成倍減少,這就有可能出現(xiàn)諧振,諧振將放大諧波電流,導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。(5)諧波將使得繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作,并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差。影響電子設(shè)備工作精度,使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低。在運(yùn)行中,汽輪機(jī)葉片由于受不均勻汽流沖擊而發(fā)生振動(dòng)。當(dāng)?shù)皖l率運(yùn)行時(shí),末級(jí)葉片可能發(fā)生共振或接近于共振,從而使葉片振動(dòng)應(yīng)力大大增加,如時(shí)間過長,葉片可能損傷甚至斷裂。(3)使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓下降。(4)對(duì)廠用電安全運(yùn)行的影響。其中影響最大的是高壓給水泵和磨煤機(jī),由于出力的下降,使電網(wǎng)有功電源更加缺乏,致使頻率進(jìn)一步下降,造成惡性循環(huán)。另外,頻率下降,將引起電鐘不準(zhǔn),電氣測(cè)量儀器誤差增大,安全自動(dòng)裝置及繼電保護(hù)誤動(dòng)作等。在市電質(zhì)量較差時(shí)，通過整流濾波電路，提高改善市電質(zhì)量，保證負(fù)載輸入穩(wěn)定，或者在市電不穩(wěn)定時(shí)，切換UPS系統(tǒng)回路，使用備用回路或放電回路，用電池儲(chǔ)備電能在一定時(shí)間內(nèi)替代市電輸出，輸出穩(wěn)定的正弦電，保證生產(chǎn)工作一定時(shí)間內(nèi)正常進(jìn)行，減少因電網(wǎng)崩潰帶來的損失。直流電源，是維持電路中形成穩(wěn)恒電流的裝置。UPS和直流電源是企業(yè)重要的供電保障設(shè)備，傳統(tǒng)的維護(hù)管理包括：①日常巡檢外觀，定期更換電池、濾波電容、風(fēng)機(jī)等易損件，大修時(shí)做電池活化等；②改造或采用換代設(shè)備，使用高級(jí)工具測(cè)試電池性能。實(shí)施在線維護(hù)管理可避免傳統(tǒng)方式的不足之處，獲得良好效益。 系統(tǒng)工作原理UPS不間斷電源設(shè)計(jì)的基本原理是將輸入的交流電整流轉(zhuǎn)換為直流電，一方面為備用蓄電池充電，另一方面再將其逆變轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。(2)逆變器是UPS輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電的核心組成，也是整個(gè)UPS核心，采用冗余備用單元也是為了保證負(fù)載供電的不間斷； (3)旁路輔助電源是為維修、檢修UPS，或者逆變器故障的情況下實(shí)現(xiàn)不間斷供電的輔助電源。蓄電池充電本質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，蓄電池充電裝置實(shí)際上是一個(gè)充電電源，該充電電源通過一定的控制算法使得輸出電壓和輸出電流與蓄電池充電曲線相吻合。 (1)相控電源是比較傳統(tǒng)的電源，它將市電直接經(jīng)過整流濾波后輸出直流，通過改變可控硅整流器的導(dǎo)通相位角，來控制電源的輸出電壓。而且該類電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、可靠性低。 (2)線性電源是另一種常見的電源，它是通過串聯(lián)調(diào)整管，可以連續(xù)控制的電源。由于調(diào)整管上的損耗功率較大，所以需要采用大功率調(diào)整管并需要裝配體積很大的散熱器。七十年代，出現(xiàn)了使用高頻變換技術(shù)的整流器，它使交流電不經(jīng)過工頻變換器，而是直接整流再逆變?yōu)楦哳l交流，再整流濾波變?yōu)樗璧闹绷鳌?開關(guān)電源由最初的低頻開關(guān)電源發(fā)展到高頻開關(guān)電源，其開關(guān)頻率越來越高，控制技術(shù)也越來越完善，在蓄電池充電裝置的設(shè)計(jì)中，正是由于開關(guān)電源的性能越來越完善，已逐步成為充電功率主電路設(shè)計(jì)的首選。當(dāng)市電恢復(fù)正?；蛘哒髌鞴收吓懦?，恢復(fù)整流器供電，這樣負(fù)載得到連續(xù)供電，不會(huì)產(chǎn)生間斷供電的現(xiàn)象。解決的辦法有兩個(gè)：一是提供逆變器的備用單元；二是提供靜態(tài)旁路輔助電源。一旦逆變器故障排除，即可恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)交流輸入恢復(fù)正?；蛘吣孀兤鞴收吓懦?，通過靜態(tài)旁路電源向負(fù)載供電；或者通過逆變器向負(fù)載供電。(4)電源裝置根據(jù)實(shí)際情況需要定期檢修，這時(shí)必須斷開逆變器和靜態(tài)旁路，但仍然要保證負(fù)載供電的不間斷，這時(shí)可采用增加維修旁路電源的方案。綜上所述，不間斷供電的原理實(shí)質(zhì)就是從電源裝置的組成結(jié)構(gòu)上考慮如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不間斷供電:采用冗余結(jié)構(gòu)或者其他可靠性設(shè)計(jì)方案。因此，逆變器的設(shè)計(jì)在整個(gè)UPS設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。UPS不間斷電源的交流輸出側(cè)直接和負(fù)載相連，其中的逆變電路屬于無源逆變。UPS不間斷電源的負(fù)載就是那些對(duì)電源的電壓和頻率的穩(wěn)定性、波形畸變等有著嚴(yán)格的要求，且絕不允許瞬時(shí)停電的特殊負(fù)載。、逆變電路主要性能參數(shù)描述逆變器性能的參量和技術(shù)條件很多，這里僅就評(píng)價(jià)逆變器時(shí)常用的技術(shù)參數(shù)做一扼要說明。逆變器正常使用條件：海拔高度不超過1000m，空氣溫度0～+40℃。輸入直流電壓波動(dòng)范圍：蓄電池組額定電壓值的177。（3）額定輸出電壓電壓波動(dòng)范圍：單相220V177。5%。（4）額定輸出電流（5）額定輸出頻率頻率波動(dòng)范圍：50Hz177。正弦波逆變器，在阻性負(fù)載下，輸出電壓的最大諧波含量應(yīng)≤10%。（7）過載能力逆變器的過載能力應(yīng)在規(guī)定的負(fù)載功率因數(shù)下，滿足一定的要求。（8）效率逆變器負(fù)載功率因數(shù)的允許變化范圍，―。（10）負(fù)載的非對(duì)稱性在正常工作條件下，各相負(fù)載對(duì)稱，輸出電壓的不對(duì)稱度應(yīng)≤5%。在正常工作條件下，逆變器在滿載負(fù)載和空載運(yùn)行條件下，應(yīng)能連續(xù)5次正常起動(dòng)。（13）保護(hù)功能逆變器應(yīng)在規(guī)定的正常工作條件下，能承受一般環(huán)境下的電磁干擾。不經(jīng)常操作、監(jiān)視和維護(hù)的逆變器，應(yīng)≤95db；逆變器應(yīng)設(shè)有交流輸出電壓、輸出電流和輸出頻率等參數(shù)的數(shù)據(jù)顯示，并有輸入帶電、通電和故障狀態(tài)的信號(hào)顯示。在光伏/風(fēng)力互補(bǔ)系統(tǒng)選用逆變器時(shí)，首要的是確定逆變器如下幾個(gè)最主要的技術(shù)參數(shù)：額定輸出電壓，如三相380V，還是單相220V； 三相橋式逆變電路及其控制方式 電路原理：逆變最基本的電路就是橋式電路。 圖中的開關(guān)S16代表實(shí)際電路中的電力電子功率開關(guān)器件。圖23三相橋式逆變電路原理圖在實(shí)際電路中，開關(guān)的切換(換相)通過換相電路或控制脈沖來實(shí)現(xiàn)。無論是全控型還是半控型電力電子器件,只要給控制極適當(dāng)?shù)男盘?hào)，就可以使其導(dǎo)通；但是關(guān)斷時(shí)的情況就不同,全控型器件可以用控制極信號(hào)使其關(guān)斷，而半控型的器件，必須采用一定的外部條件或措施才能使其關(guān)斷。在本UPS不間斷電源設(shè)計(jì)中，逆變器的直流輸入側(cè)來自整流器的整流輸出或者蓄電池的直流輸出，屬于電壓源，因此本設(shè)計(jì)中的逆變電路屬于電壓型逆變電路。電壓型逆變電路的典型控制方式有相控和PWM控制兩種。這種控制方式輸出電壓為矩形波，其中含有較多的諧波，對(duì)負(fù)載有不利的影響；且功率因數(shù)不高，調(diào)節(jié)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。PWM即脈沖寬度調(diào)制控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使之輸出一系列幅值相等、寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。理論和實(shí)踐證明PWM逆變電路具有很強(qiáng)的諧波抑制能力。隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)并成熟后，PWM控制技術(shù)得到了很快的發(fā)展，PWM型逆變電路獲得了廣泛的應(yīng)用。 PWM型三相橋式逆變電路正因?yàn)镻WM控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逆變電路越來越多地采用PWM控制方式。在采樣控制理論中，有一個(gè)重要結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同即環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。下面以正弦脈寬調(diào)制SPWM為例說明PWM控制的基本原理。這些脈沖寬度相等，都等于n/N，但幅值不等，脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。這就是PWM波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，此PWM波形和正弦半波是等效的。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，成為SPWM波形。 主要器件介紹 晶閘管SCR晶閘管是最早出現(xiàn)得可控器件。普通型SCR電壓高達(dá)6000V，電流達(dá)數(shù)千安培，開通僅需要在控制級(jí)上加一個(gè)小觸發(fā)脈沖，然后想要關(guān)斷這種器件必須用電感、電容和輔助開關(guān)器件組成強(qiáng)迫環(huán)流電路。目前UPS中，主要把SCR器件用作整流器和靜態(tài)開關(guān)。其開關(guān)速度快，安全工作區(qū)寬，熱穩(wěn)定性好，線性控制能力強(qiáng)，采用電壓控制，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，因此常常作為開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)能量變換。MOSFET的缺陷是輸入阻抗高，抗靜電干擾能力低，承載能力和工作電壓低。由于器件受功率的限制，因此只應(yīng)用與小型UPS的斬波器或逆變器中。其開關(guān)速度顯然較功率MOSFET低，但遠(yuǎn)高于BJT，又因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，故控制電路簡單、穩(wěn)定性好。在UPS中，普遍用于逆變器和斬波器，也有的用于整流器。圖27 運(yùn)算放大器 變壓器變壓器采用普通工頻變壓器，初級(jí)為12V,次級(jí)為220V,外形見圖28。它在電路中用文字符號(hào)“RV”或“R”表示，圖29是外形圖，圖210為電路圖形符號(hào)。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。通過二極管的單相導(dǎo)通的特性，使輸出曲線全在正半軸，輸出脈動(dòng)直流電流。(2)起隔離作用。(3)降壓作用。一般情況下，整流器的副邊次級(jí)電壓低于原邊初級(jí)電壓，因此這里的整流變壓器屬降壓變壓器。 其余電路濾波電路由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量儲(chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量儲(chǔ)存起來，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。 濾波電路形式很多，為了掌握它的分析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸入式（電感器接在最前面）。前置驅(qū)動(dòng)：前置驅(qū)動(dòng)電路為電壓跟隨器，組成此電路不起放大作用，只為驅(qū)動(dòng)功率放大電路，為功率管提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。它一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。 升壓變壓器：升壓變壓器為普通的工頻變壓器，壓敏電阻標(biāo)稱值為220V，此電阻為過壓保護(hù)電阻，防止電壓過高傷及人身安全。電源檢測(cè)：當(dāng)輸入電源AC220V存在時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通，控制繼電器吸合，升壓電路停止工作，當(dāng)無電源輸入AC220V存在時(shí)，此時(shí)失壓告警電路開始報(bào)警。間隙振蕩電路周期為2Hz，通過隔離后調(diào)制音頻信號(hào)，并擁有報(bào)警音控制電路。放大電路，將對(duì)取樣電阻的電壓進(jìn)行放大，調(diào)整放大電路的靜態(tài)點(diǎn)。過流保護(hù)指示電路，LED點(diǎn)亮?xí)r過流保護(hù)啟動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由逆變主電路，SPWM信號(hào)產(chǎn)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，過流保護(hù)電路等構(gòu)成。設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)有兩個(gè)：一是UPS輸出的穩(wěn)定性，即輸出電壓和頻率都必須保持穩(wěn)定；二是UPS輸出的不間斷性，即要能實(shí)現(xiàn)不間斷供電。其死區(qū)延時(shí)主要是由高精度的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538完成，CD4538管腳和功能表如圖34所示。的。由兩個(gè)高精度可重觸發(fā)地單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，Q和Q非輸出有緩沖，輸出特性對(duì)稱。Rx和一個(gè)電容Rx和Cx數(shù)值就可以改變死區(qū)時(shí)間，并且傳輸延遲時(shí)間不受RxCxSPWM信號(hào)產(chǎn)生電路如圖35。圖35 PWM產(chǎn)生電路 驅(qū)動(dòng)電路輸出SPWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變橋的開關(guān)管。驅(qū)動(dòng)芯片采用IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路芯片IR2110，IR2110是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動(dòng)集成電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOSFET和IGBT的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)，該芯片具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有快速完整的保護(hù)功能和自帶死