UPS系统中的电源解决方案

一、引言

UPS(Uninterruptible Power System)，即不间断电源系统，是一种含有储能装置(通常为蓄电池)，以逆变器为主要组成部分的恒电压、恒频率输出的不间断电源系统。主要应用于要求设备24小时供电的场合，如通讯设备、计算机网络系统或其它电力电子设备等。当市电中断(事故停电)时，UPS立即将机内储能装置的电能，通过逆变转换的方式向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。

二、UPS系统介绍及过程分析
  


图一是个非常典型的UPS在地铁中的应用，从上图中可以明显看到，该系统包含配电柜、UPS电源和外置维护开关，终端负载为各机电系统，如信号系统、通信系统、综合监控系统、自动售检票系统、自动列车监控系统等子系统。配电柜的作用是对用电设备进行配电和控制，在电路出现过载、短路和漏电时，配电柜还可以进行断电保护;外置维护开关主要是在维护检测过程中闭合，旁路掉UPS的电路，使电能从外置维护开关的电路上通过，实现了在保证后端负载能够得到正常供电的情况下不影响对设备的维护;在市电异常，配电柜断电的情况下，UPS电源通过储能装置给后端的设备供电。

UPS的内部结构如图二，主要由五部分组成：电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器，进行DC/AC变换的逆变器，输出切换电路以及蓄能电池。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流能量的功能外，对整流器来说就像接了一只大容量电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。
  


下面结合UPS的内部结构，分析市电供电和断电两种状态下UPS的工作过程：

1、市电正常时，交流电通过主电输入端口，交流电输入经整流滤波变换成直流后，再通过SPWM逆变器逆变，然后交流电供给输出，最后通过逆变静态开关切换到用户负载，形成整个供电的通路。在UPS系统中，之所以在市电供电的情况下还需经过整流、逆变等电路，而不是直接由市电给后端的用户负载供电，其目的是提高供电、用电的质量。同时，通过整流后的直流也给予电池组充电，详细过程见图三，工作路线见图中的标示。
  


2、当市电异常(断电)时，主电输入端口已经没有电能输入，而是由电池输入，通过SPWM逆变器逆变出交流电供给输出，通过逆变静态开关切换到输出给用户负载，完成整个供电的通路。详细过程见图四，工作路线见图中的标示。
  


三、电源解决方案分析

对于整个系统而言，各功能电路的工作电源的重要性是不言而喻的，因为一旦工作电源出现故障，整个装置就陷入瘫痪状态，正常工作就无从谈起，因此工作电源必须可靠、精确。

1、整流/充电电路：

整流/充电在UPS中主要由两个作用：一是将交流电整流成直流电，经滤波供逆变器使用，二是给蓄电池提供充电电压，对蓄电池进行充电。控制电路是整个整流/充电电路的核心，因为无论是整流直流输出作为逆变器的输入控制，还是给蓄电池充放电的控制，必须保证控制可靠、稳定、有序，因此一般会采用微机控制为核心的控制系统，实现测量与采集、脉冲输出与同步，信号输出等功能，见下图五。
  


根据各个功能电路的特点，微机处理器、信号输出和脉冲输出的隔离光耦一般采用5V/1A供电，转换A/D采样电路一般为±15V/0.3A，而保护电路中的继电器和后端驱动电路可以采用24V/1A，前端直接通过接入市电供电，金升阳提供的LH60-20B24URB2405YMD-6WR3URA2415YMD-10WR3的开关电源能够完美的解决此处的供电方案，具体的初步方案可以设计如下图六：
  


2、逆变器---IGBT驱动电路

逆变是将直流电变为交流电，实现逆变的电路称为逆变电路，逆变器的主要功能就是将整流/充电器的输出直流电压变换成稳压稳频的交流电。逆变器主回路采用的是三相桥式逆变电路，控制方式采用SPWM调制方式，逆变功率器件选用IGBT。

IGBT属于大功率开关管，需要单独的驱动电路才能满足其快速开通和关断，且IGBT需要的驱动电压一般为﹢15V和-9V，同时要考虑到每个驱动要隔离供电，不能共用一个电源，因此前端的直流供电可以采用24V的输入，金升阳可提供URB2415LD-20WR3开关电源和QP12W05S-37 IGBT驱动器，转换成电源供电方案的电路设计如下图七：
  

  


以上图六和图七推荐的电源方案为广州金升阳的隔离型开关电源及驱动器的型号，具备高隔离耐压、小体积、耐高温和宽电压输入等特点，很好的满足了UPS系统各部分供电的要求。电源模块的隔离功能能够减少负载与负载间的相互干扰，同时在高压逆变电路中起到了安全保护的作用，另一方面开关电源具有高效率、稳压、高精度的特性，能更好的保证整个系统的稳定、可靠运行。

四、总结

UPS在现代社会的发展中是不可缺少的，为生产、生活做了不少的贡献，新一代更便捷、更智能的UPS系统是研发工程师开发的方向。同时，系统内部的电源解决方案将直接影响到系统的稳定性和可靠性，因此在系统的设计过程中除了实现和完善其功能外，还要保证工作电源其方案的稳定性和可靠性。