現(xiàn)代大型的數(shù)據(jù)中心和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)，其交流220V電源要求穩(wěn)定可靠，分秒不停。應(yīng)運(yùn)而生的不間斷電源(簡(jiǎn)稱UPS)，滿足了這種“苛刻”負(fù)載嚴(yán)格的需求，消除了電網(wǎng)電壓瞬變波動(dòng)對(duì)重要負(fù)載的影響。

UPS電源對(duì)數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，UPS停電意味著系統(tǒng)癱瘓。如何提高UPS的可靠性，是保證數(shù)據(jù)中心安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。UPS系統(tǒng)是一個(gè)多路電源輸入的低壓多端網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備逆變器和靜態(tài)開關(guān)等，是一套電子元件自動(dòng)控制的電力裝置。因UPS供電系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)的工作可靠性是系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)，而在滿足系統(tǒng)可靠性的前提下，如何使配置的系統(tǒng)具有高的性能價(jià)格比是UPS供電系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，為此本文對(duì)大中型UPS的構(gòu)成和工作原理及應(yīng)用中的問題分別作以闡述和分析。

2.大中型UPS工作原理

2.1大中型UPS整流電路

大中型UPS中廣泛應(yīng)用三相橋式全控整流電路，當(dāng)控制角α=0時(shí)，其工作過程與三相橋式不控整流電路相同，在自然換相點(diǎn)換相。當(dāng)控制角α>0時(shí),每個(gè)晶閘管都從自然換相點(diǎn)向后移α角開始換相。不管α為何值，電壓Ud都是線電壓的一部分。所以，從線電壓入手計(jì)算Ud更簡(jiǎn)單，由于Ud波形每隔60°重復(fù)一次，Ud的計(jì)算只要在π/3范圍內(nèi)取平均值即可。在三相星形接法的電路中，線電壓較其相應(yīng)的相電壓超前30°。現(xiàn)將線電壓Uab的零點(diǎn)作為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，即比原來以相電壓Ua零點(diǎn)的坐標(biāo)提前30°。因此在新坐標(biāo)上然后換相點(diǎn)的位置在ωt=π/3處。

2.1.1電阻性負(fù)載。當(dāng)0≤α≤π/3時(shí)，

Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

式中Ud整流電壓；U2變壓器T次級(jí)相電壓；U2L次級(jí)線電壓。

當(dāng)π/3<α <2π /3時(shí)，整流只能在正半周進(jìn)行，當(dāng)α=2π/3時(shí)Ud=0，從公式亦可看出電阻負(fù)載的最大移相范圍是120°。

2.1.2電感性負(fù)載。對(duì)于電感性負(fù)載,由于電流是連續(xù)的,晶閘管的導(dǎo)通角總是2π/3,上式的積分上限可以超過π,仍為(2π/3)＋α,

Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα

可見電感性負(fù)載時(shí)的最大移相范圍為90°。

2.2大中型UPS充電電路

大容量UPS的充電電路,一般采用晶閘管作為整流元件,這是因?yàn)榇笕萘?/SPAN>UPS充電器的輸出電壓一般高達(dá)幾百伏,充電電流為幾十安培。在大功率UPS中一般都將充電器和整流器合二為一，雖然這使得其控制電路較為復(fù)雜，但由于大功率UPS本身造價(jià)較高，控制電路設(shè)計(jì)得稍微復(fù)雜一些并不會(huì)明顯增加成本。充電器分為3個(gè)主要部分，即三相橋式全控整流器，由V1－V6和濾波電感L1，L2組成；采樣電路，其功能是對(duì)三相橋輸出的充電電壓和電流進(jìn)行采樣，然后將采樣的結(jié)果送到控制電路；控制電路，其功能是根據(jù)采樣電路送來的電壓和電流信號(hào)去控制三相橋式全控整流器，以調(diào)整其輸出電壓和充電電流。

大功率UPS的充電分為3個(gè)階段：初期由于電池放電后損失較大，急需補(bǔ)充，故需充電電流較大，如不限流就會(huì)嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，故這一階段為恒流充電；當(dāng)電壓到達(dá)設(shè)計(jì)值（一般為浮充電壓，每個(gè)電池單元為2.25V)時(shí)就轉(zhuǎn)為恒壓充電，蓄電池經(jīng)過一段時(shí)間的恒壓充電，當(dāng)其端電壓上升到某一值時(shí)就轉(zhuǎn)為浮充充電。充電初期的充電電流IBmax，對(duì)于鉛酸蓄電池為0.1C,對(duì)鎳鎘蓄電池為0.2C。

中容量UPS充電電路采用開關(guān)型降壓斬波器，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電。該充電器由于采用了微處理器監(jiān)控，它除了具有一般充電器所要求的恒流恒壓充電功能外，還具有以下功能：

①根據(jù)放電電流自動(dòng)修正放電終止電壓；

②根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)修正浮充電壓。

2.3大中型UPS逆變器

UPS的核心器件是逆變器。UPS的發(fā)展史其實(shí)就是采用不同逆變器器件的發(fā)展史。早期UPS采用的是可控硅,這種UPS效率低,噪聲大,體積龐大。第二代UPS采用了雙極晶體管,其開關(guān)速度可以做到音頻以上。這樣降低了噪聲,減小了體積,但由于雙極晶體管容易造成二次擊穿,于是采用MOSFET的第三代UPS產(chǎn)生了。但它的弱點(diǎn)是不易把UPS容量做得很大。1982年,日本三菱公司成功地研制出具有場(chǎng)效應(yīng)的高頻特性,柵板電壓可控,驅(qū)動(dòng)電流小,并具有雙極晶體管的大電流處理能力等諸多特點(diǎn)的新型功率器件,即隔離柵型雙極性晶體管(IGBT)。山特公司是首家將IGBT技術(shù)應(yīng)用于UPS領(lǐng)域的廠商,為此UPS發(fā)生了一次巨大的變革, 在提高逆變效率,改善UPS的各種輸出特性的同時(shí),也為大中型UPS的實(shí)現(xiàn)高頻化、智能化控制變成了可能。

大中型UPS逆變器控制電路，除采用三相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)外，波形疊加技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，波形疊加技術(shù)有疊加式階梯波、離散型階梯波、脈寬階梯混合波等多種。脈寬階梯混合波逆變器是結(jié)合階梯波的高效率和脈寬調(diào)制的低價(jià)格而采取的一種折衷方案，由于混合式的逆變頻率較低，因而噪聲較大。它的體積略大于脈寬調(diào)制式而小于階梯式，多用于中大容量的UPS。