| 摘要：本文主要从大中型UPS的整流滤波电路、充电电路、UPS逆变器以及静态转换开关方面分析了大中型UPS的工作原理。 |
5大中型UPS的静态转换开关
大、中型UPS静态开关一般使用电子式静态转换开关。所谓电子式静态转换开关，是将一对反向并联的快速晶闸管连接起来作为UPS在执行由市电旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件，由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，同小型继电器毫秒级的转换时间相比，它只是小型继电器的千分之一左右。因此，依靠这种先进技术，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。在大型UPS中常用的两种静态开关控制框图（三相中的一相）如图4－10所示。从此图可以看出，三相UPS逆变器的输出电压经三组接触器送到负载。与此同时，三相50Hz交流旁路电源经三相静态开关（由三组反向并联的晶闸管组成）也可送到负载。正常工作时，只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道之中的一路电源向负载供电。只有当UPS需要执行由交流旁路电源供电至逆变器供电切换操作时，才会出现短暂的（约几毫秒～几十毫秒）两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。为保证逆变器及静态开关的安全运行，UPS的控制系统必须满足下述的基本工作条件：
（1）由UPS逆变器所产生的50Hz正弦波电源应随时保持与市电50Hz交流旁路电源的同频率、同相位、同幅度和较小正弦波失真度的关系。因为只有在这样的条件下才有可能使UPS在执行由逆变器供电至市电交流旁路供电切换操作时，实现上述两种交流电源间不存在任何瞬态电压差或是在瞬态电压差足够小的条件下执行安全切换操作要求。为此必须在UPS的系统控制中引入“锁相同步”。
（2）UPS的控制电路应具有分别执行同步切换和非同步切换的能力，以确保UPS能在具有不同供电质量的交流旁路电源系统中正常运行。
5.1同步切换方式
当UPS的逆变器输出电压与市电交流旁路电源电压处于锁相同步工作状态时,在需要执行从交流旁路供电至逆变器供电切换操作前,用户可通过仔细调节UPS逆变器的输出电压,使它的输出电压值等于交流旁路电源电压或者使逆变器的输出电压稍高于交流旁路电源电压(一般控制在5V～10V左右)。对于如图4－10所示的控制系统而言，主控板首先向逆变器的输出接触器发出闭合操作命令。在此阶段将会出现由交流旁路电源和逆变器同时向负载供电的状况，以确保对负载的不间断供电。在执行上述同步切换操作时，很难满足这两种交流电源间的瞬态电压差一直为零。因此，总会有一个或大或小的环流在这两种电源之间流动，该环流的大小可通过专门的电流检测电路来进行实时监控。控制电路是在电流过零点上将处于交流旁路通道上的静态开关中的晶闸管关断，然后UPS才进入由逆变器供电的正常工作状态。采用这种“先合后断”的切换控制方式，可以确保上述两种交流电源产生重叠向负载供电的最长时间，被控制在50Hz的半个周波之内（即小于10ms)。当UPS在运行过程中，如果遇到输出过载、短路、逆变器故障或用户人为地关闭逆变器情况之一时，由控制电路在向逆变器本身及位于逆变器供电通道上的输出接触器发出“关断”命令信号的同时，也向位于交流旁路通道上的静态开关发出“闭合”命令。此时，由于输出接触器的关断响应时间较慢（大约为80ms～100ms),而静态开关中的快速晶闸管开通时间很短（几微秒至十几微秒）的缘故，当静态开关闭合时，接触器尚未真正释放，所以此时向负载提供能量的电源有逆变器输出滤波电容上的残余电压（因为此时的逆变器已处于自动关机状态之中）及市电交流旁路电源。这段时间大约要持续20ms左右。此后，负载则完全由市电交流旁路电源供电了。另一类大、中型UPS静态开关如图4－11所示。
对于图4－11所示的控制系统而言，由于在它的逆变器供电和市电交流旁路供电通道上都采用静态开关来作为它们的切换元件。对于晶闸管而言，一旦它被触发导通，导通状态会一直维持到流过晶闸管的电流小于它的最小维持电流或者加在晶闸管阳极上的电位低于阴极上的电位时，晶闸管才会重新恢复它的阻断能力。因此对于采用由反向并联的晶闸管构成的静态开关而言，唯一确保晶闸管静态开关被“关断”的条件是将流过它的电流降低到它的维持电流以下。因此，当这种类型的UPS在执行市电交流旁路供电逆变器供电切换操作时，常采用如下控制原理：当UPS的逻辑控制板上的控制电路在执行切换操作命令时，它首先发出控制命令立即封锁原来处于导通状态的静态开关中的晶闸管的触发脉冲。与此同时，随时检测流过该晶闸管的电流，当控制电路发现流过该晶闸管的电流过零时，立即向原来处于关断状态的静态开关中的晶闸管发送触发脉冲，从而实现在两个静态开关之间换流的切换操作。在这里，由于快速晶闸管的导通时间仅是微秒数量级，所以在技术上是能实现向负载提供切换时间为零的连续供电要求的。
5.2不同步切换方式
当交流旁路电源电压与逆变器输出电压之间的相位差超差(一般UPS允许的最大相位差在3.6°～15°之间）或上述两种电压间的瞬态电压差过大（如超过25V以上）时，静态开关逻辑控制电路会发出禁止切换命令。在这种情况下，由市电交流旁路供电至逆变器供电的切换操作只能采取不同步切换方式，以免在执行切换操作的瞬间因环流过大而引发事故，如烧毁静态开关中的晶闸管或逆变器中的末级驱动晶体管模块。现以图4－10所示的控制系统为例来说明不同步切换的工作模式：
图4－11某品牌UPS的静态开关控制框图
当UPS需从逆变器供电向市电交流旁路供电切换时，是采用“先断开后接通”的控制方式来执行切换操作的。即先让位于逆变器供电通道上的接触器断开，然后在经过0.2s～0.8s的时间延迟后,才让处于市电交流旁路通道上的静态开关中的晶闸管导通。因此，当UPS在执行不同步切换操作时，对用户的供电而言，它有可能会出现0.2s～0.8s的供电中断。
责任编辑：Kelly
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