本文主要簡單介紹典型傳統UPS基本原理，可供掌握UPS設備現場維護要點的學習參考。UPS設備的本質類似變頻電源電路的設計，變頻電源又稱交一直一交變頻電源，通過AC-DC和DC-AC兩次電能變換，效率稍低，但前級市電的幹擾不會影響後級，輸出波形好。變頻電源是通過控制功率開關器件的通斷，將工頻交流電先通過整流器轉換成直流電，然後再通過逆變器轉換成頻率、電壓一定範圍內可調節的交流電輸出的電能控制裝置，多用於交流電機的變頻調速，不需要配蓄電池組。而UPS是不間斷電源，作為用電設備的高質量高可靠、綠色電源，當電網停電時通過電池逆變方式輸出固定幅值頻率的交流電源，需要配置蓄電池組。
傳統工頻UPS系統一般UPS主要包括由整流模塊(REC)和逆變模塊(INV)、旁路靜態開關和逆變靜態開關、輸出隔離變壓器、蓄電池組以及輸入輸出配電開關等組成，開關是主路輸入空開、旁路輸入空開、維修旁路空開、輸出空開以及蓄電池開關等。系統組成如圖1-1所示，其中，空氣斷路器Q1控制主路交流電源輸入，整流模塊將交流電源變成直流電源，逆變模塊進行DC/AC變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成交流電源，經過隔離變壓器輸出。蓄電池組在交流停電時通過逆變向負載供電。輸入電源也可以通過旁路靜態開關從旁路迴路向負載供電，另外對負載供電不間斷而對UPS內部進行維修時，可使用維修旁路開關Q3。
圖1-1 UPS原理框圖
2.1 Buck-Boost電路
圖2-1 典型buck-boost原理電路
工作過程：
1. 當功率管導通時，等效如圖a，二極體D截止，電感L儲能，感應電壓為上正下負，電容用自己儲能向負載放電。
2. 當功率管截止時，等效如圖b，二極體D導通，電感中電流不能反向，電感兩端產生自感電動勢為下正上負。電感儲能向電容充電和向負載放電。
3. 控制電路根據輸出電壓和電流的變化，控制功率管的導通和關斷時間，就可以控制輸出電壓的大小。
2.2 UPS中典型PFC主功率模塊圖
APFC技術的核心是引進電壓和電流反饋，以構成一個雙閉環控制系統，外環穩定輸出電壓，內環實現輸入電流調控和整形，使之成為與電壓同相位的標準正弦波，以提高入端功率因數,例圖說明其主要功能：市電供電時作整流升壓電路，並進行輸入功率因數校正；電池供電時作DC/DC升壓，PFC模塊電路工作原理圖如：
圖2-2 PFC主功率模塊原理圖
工作原理：主電路採用PFC主電路結構，同時兼作電池供電時的DC/DC升壓主電路。正負半周分別控制。控制電路由硬體構成，一般採用PFC專用晶片UC3854AN。
市電輸入正半周時，上部分正半周PFC電路工作；市電輸入負半周時，下部分負半周PFC電路工作，在UC3854AN晶片內部電流環的調節下，輸入電流跟蹤輸入電壓呈正弦波形，且與輸入電壓同相； 在UC3854AN晶片內部電壓環的調節下，使輸出電壓穩定電壓。
電池輸入時，正半周PFC電路工作在直流BOOST電路狀態；負半周電路工作在BUCK/BOOST電路狀態。使輸出電壓仍穩定電壓不變。
3.1三相全橋整流
對於中大功率UPS，早期一般採用晶閘管整流電路完成整流，該變換器由於輸入電流不連續，功率因數較低，需要輸入側加LC二階濾波器以濾除電流諧波，這就增加了變換器的體積及成本，另一種形式採用IGBT及功率二極體組成Vienna整流器拓撲結構來確保輸入的高功率因數。SCR整流電路一般有6脈衝和12脈衝整流。如圖3-6為SCR整流原理示意圖及採用三相SCR全橋整流電路6脈衝整流器圖，SCR觸發脈衝順序：1－2－3－4－5－6－1。
圖3-1 6脈衝SCR全橋整流原理圖
12脈衝整流器採用了兩個6脈衝整流器，其中一個6脈衝整流器的輸入經過了一個30度移相的移相變壓器。如圖3-2所示，圖中「負載」所指為「電池及逆變器」。
圖3-2 12脈衝整流器原理示意圖
4.1 SPWM波
UPS逆變輸出功率管的控制方式一般採用SPWM（正弦波脈衝寬度調製）方式；它用調整脈衝寬度和控制佔空比的方法來達到輸出電壓穩定。如圖4-1為SPWM波產生過程。
圖4-1 SPWM波產生示意圖
4.2 全橋逆變
原理工作過程，逆變電路在SPWM信號的控制下兩主功率管互補導通，這樣在橋臂中點得到如圖4-2所示寬度變化、幅值相同的正負極性方波。此波經LC濾波器濾除高次諧波後即可輸出正弦波，全橋逆變電路如下圖所示：
圖4-2全橋逆變原理示意圖
UPS的旁路和逆變輸出支路分別接有靜態開關。靜態開關是有兩個正反向並接的晶閘管組成，如圖5-1所示，它使負載既可以連接到逆變器的輸出又可以連接旁路電源上。在正常情況下，負載由逆變器供電，此時逆變器側的靜態開關閉合；但出現過載或逆變器故障時，靜態旁路開關自動將負載切換到旁路電源。
圖5-1 靜態開關工作原理圖
6.1 正常工作模式
在主路市電正常時，UPS一方面通過整流器、逆變器給負載提供高品質交流電源；另一方面通過整流器為電池充電，將能量儲存在電池中。 AC輸入經過整流器由AC變換成DC電壓，再經逆變器由DC變換成AC輸出，經由兩級變換以後，能得到精度和質量都較好的輸出電壓，可以防止輸入諧波、毛刺、電壓瞬變等幹擾影響負載；同時整流後的母線通過充電器為電池充電原理框圖見圖6-1。
圖6-1 正常工作模式
6.2 電池工作模式
當UPS正常工作，整流器AC輸入電壓發生異常時，UPS系統自動無間斷地切換到電池工作模式，由電池通過逆變器輸出交流電向負載供電。市電恢復後系統自動無間斷地恢復到正常工作模式。原理框圖見圖6-2。
圖6-2 電池工作模式
6.3 旁路工作模式
當UPS偵測到模塊過溫，過載或者其他會關閉逆變器等的故障，系統自動無間斷切換到靜態旁路電源向負載供電。旁路電源會直接給負載提供能量，電流迴路如下圖中粗線所示。旁路模式下負載供電質量不受UPS保護，容易受到停電、AC電壓波形/頻率異常等狀況影響
當用戶關機、或主路市電異常且電池儲能耗盡、或發生嚴重故障等情況下、逆變器關閉，系統會切換並停留在旁路工作模式。此後若需恢復到正常工作模式，則需要用戶重新開機。原理框圖見圖6-3。
圖6-3 旁路工作模式
6.4 維修工作模式
對UPS系統及電池進行全面檢修或設備故障維修時，可以通過閉合維護開關Q3BP，將負載轉向維修旁路直接供電，以實現對負載不停電維護。維修時需要斷開UPS內部的主路輸入開關Q1、旁路輸入開關Q2和電池輸入開關QF1以及輸出開關Q5，實現UPS內部不帶電而對負載仍然維持供電的維修工作模式。原理框圖見圖6-4。
圖6-4 維修工作模式
總結：
本文簡單介紹了傳統SCR整流UPS（工頻）基本原理，它優點為輸入輸出隔離、電網擾動不會影響負載、電池直接掛在母線上，缺點：體積大，重量大、成本高、輸入諧波電流大、汙染電網。目前趨勢為功率因數高、諧波電流小、輸入特性好、體積小、重量輕無隔離三相UPS（高頻機）為主流，但通過學習典型傳統UPS基本原理，可以學習掌握UPS現場維護及設備故障的處理。
註：本文已獲得（富春雲數據中心）授權轉載
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