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UPS系統(tǒng)中的電源解決方案

字體:[ ] 瀏覽次數(shù):1173次 發(fā)布時間:2016-01-24 關(guān)閉

一、引言

UPS(Uninterruptible Power System),即不間斷電源系統(tǒng),是一種含有儲能裝置(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小時供電的場合,如通訊設(shè)備、計算機網(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,UPS立即將機內(nèi)儲能裝置的電能,通過逆變轉(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負(fù)載軟、硬件不受損壞。


二、UPS系統(tǒng)介紹及過程分析



圖一是個非常典型的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電源和外置維護開關(guān),終端負(fù)載為各機電系統(tǒng),如信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、自動列車監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。配電柜的作用是對用電設(shè)備進行配電和控制,在電路出現(xiàn)過載、短路和漏電時,配電柜還可以進行斷電保護;外置維護開關(guān)主要是在維護檢測過程中閉合,旁路掉UPS的電路,使電能從外置維護開關(guān)的電路上通過,實現(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設(shè)備的維護;在市電異常,配電柜斷電的情況下,UPS電源通過儲能裝置給后端的設(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,進行AC/DC變換的整流器,進行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。凈化功能由儲能電池來完成,由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除,整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流能量的功能外,對整流器來說就像接了一只大容量電容器,其等效電容量的大小,與儲能電池容量大小成正比。頻率的穩(wěn)定則由變換器來完成,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,設(shè)計了系統(tǒng)工作開關(guān),主機自檢故障后的自動旁路開關(guān),檢修旁路開關(guān)等開關(guān)控制。



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的工作過程:

1、市電正常時,交流電通過主電輸入端口,交流電輸入經(jīng)整流濾波變換成直流后,再通過SPWM逆變器逆變,然后交流電供給輸出,最后通過逆變靜態(tài)開關(guān)切換到用戶負(fù)載,形成整個供電的通路。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,通過整流后的直流也給予電池組充電,詳細(xì)過程見圖三,工作路線見圖中的標(biāo)示。



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



三、電源解決方案分析

對于整個系統(tǒng)而言,各功能電路的工作電源的重要性是不言而喻的,因為一旦工作電源出現(xiàn)故障,整個裝置就陷入癱瘓狀態(tài),正常工作就無從談起,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,對蓄電池進行充電。控制電路是整個整流/充電電路的核心,因為無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,因此一般會采用微機控制為核心的控制系統(tǒng),實現(xiàn)測量與采集、脈沖輸出與同步,信號輸出等功能,見下圖五。

根據(jù)各個功能電路的特點,微機處理器、信號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,而保護電路中的繼電器和后端驅(qū)動電路可以采用24V/1A,前端直接通過接入市電供電,金升陽提供的LH60-20B24\URB2405YMD-6WR3\URA2415YMD-10WR3的開關(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)計如下圖六:

2、逆變器---IGBT驅(qū)動電路

    逆變是將直流電變?yōu)榻涣麟?,實現(xiàn)逆變的電路稱為逆變電路,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屬于大功率開關(guān)管,需要單獨的驅(qū)動電路才能滿足其快速開通和關(guān)斷,且IGBT需要的驅(qū)動電壓一般為﹢15V和-9V,同時要考慮到每個驅(qū)動要隔離供電,不能共用一個電源,因此前端的直流供電可以采用24V的輸入,金升陽可提供URB2415LD-20WR3開關(guān)電源和QP12W05S-37 IGBT驅(qū)動器,轉(zhuǎn)換成電源供電方案的電路設(shè)計如下圖七:

以上圖六和圖七推薦的電源方案為廣州金升陽的隔離型開關(guān)電源及驅(qū)動器的型號,具備高隔離耐壓、小體積、耐高溫和寬電壓輸入等特點,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,同時在高壓逆變電路中起到了安全保護的作用,另一方面開關(guān)電源具有高效率、穩(wěn)壓、高精度的特性,能更好的保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行。                          

四、總結(jié)

UPS在現(xiàn)代社會的發(fā)展中是不可缺少的,為生產(chǎn)、生活做了不少的貢獻,新一代更便捷、更智能的UPS系統(tǒng)是研發(fā)工程師開發(fā)的方向。同時,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)計過程中除了實現(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。

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