2 逆变和旁路输出的同步

　　在线式UPS的逆变输出是市电通过整流器变为直流电,再通过逆变器将直流电变为交流电后输出给负载供电。旁路输出是市电或后备电源输入后不经过整流和逆变两个过程而直接输出给负载供电。UPS在工作的时候,会随时监控逆变输出和旁路输出是否同步。所谓同步,是指逆变输出和旁路输出的交流电具有相同的频率、相位和电压幅值。UPS判断逆变输出和旁路输出是否同步时,比较的是二者的频率和相位。在UPS允许的范围内,逆变器会自动实现对市电的频率跟踪和相位锁定,以实现与市电的同步。而UPS逆变器的输出电压为UPS的设定值,可以通过设置UPS相关参数来调整,而不是跟随市电电压而变化。UPS在逆变器输出和旁路供电之间切换的时候,需要两者的电压相同,如果此时两者的电压相差在一定的范围内,逆变器会自动调整输出电压使逆变器输出的电压与旁路输出的电压一致并实现切换,切换完成后再调整输出电压回到设定值。

　　3 逆变和旁路输出的切换

　　在线式UPS在正常情况下都是由逆变器输出向负载供电。但在某些特殊情况下,逆变器可能会处于异常的工作状态时,例如过载、过温、元器件故障等,UPS会将负载从逆变器输出切换到旁路供电状态。

　　UPS在逆变输出和旁路输出之间的切换分为不间断切换和间断切换。当逆变输出和旁路输出的交流电的频率、相位都相同,且电压幅值相差在一定的范围内(此范围一般由UPS的相关参数来设定或内部设定),则UPS能够实现不间断切换。不间断切换时,负载端不会掉电。当逆变输出不满足不间断切换的要求时,UPS将在逆变输出和旁路输出之间实现间断切换。间断切换时,负载端会有短暂的掉电(掉电时间一般为毫秒级)。如果切换时逆变器输出和旁路市电输出满足不间断切换的条件(频率和相位相同、电压差在一定范围内),则逆变器输出和旁路输出之间的切换是不间断切换。此时,逆变器输出和旁路输出在一段时间内会产生重叠,逆变器和旁路交流电会同时导通向负载供电。两路交流电重叠是有条件的,条件是两路交流电的频率、相位和电压幅值在重叠的过程中必须保持一致,即两路交流电同步。如果两路交流电不同步,则任意一个参数的差别都会造成瞬间的电位差,该电位差将形成两路交流电之间的环流。如果电位差较大,则环流也会较大,将可能会引起逆变器过载,甚至造成元器件损坏。所以,如果逆变器的输出电压与旁路市电的输出电压不相同,则逆变器会根据旁路市电电压的大小调整输出电压使它的输出电压与旁路电压相同,然后逆变器输出和旁路市电输出同时导通向负载供电,此时也不会形成环流,在两路交流电同时输出一段时间后,完成切换过程,切换完成后逆变器将调整输出电压回到正常的输出电压值。

　　UPS在从旁路输出切换到逆变输出时,一般两路输出将会在一定时间内重叠,并且都会选择在过零点时完成切换,所以切换是不间断的。而从逆变输出切换到旁路输出时,一般逆变器会立即关闭,由于静态开关的开启或关闭需要一个响应时间(此响应时间一般为微秒级),而且此时的切换点也不一定是在零点,所以输出电压可能会在很短(几微秒到几毫秒)的时间内有一个电压波动。

　　图1为在线式UPS从旁路输出切换到逆变输出的波形图。可以从图中看到,由于旁路市电的电压比逆变器设定的电压稍高,所以在切换前逆变器升高了输出电压,使输出电压与旁路电压相同或者略高于旁路电压,这样可以防止市电向逆变器反灌电流而对逆变器产生损坏。此时旁路输出和逆变输出均已开启,并同时向负载供电。一段时间后,旁路输出关闭,逆变器调整输出电压下降至UPS的设定值,逆变器正常输出,UPS完成旁路输出到逆变输出的切换。

　　图2为在线式UPS从逆变输出切换到旁路输出的波形图。由于逆变器输出切换到旁路供电通常是因为逆变器的异常引起,所以切换必须立即执行,否则可能会引起严重后果。图中可以看到,旁路市电电压比逆变器输出电压略高,但切换时逆变器立即关闭,而旁路导通需要一个很短的时间,在此时间内靠UPS内部元器件的放电来维持负载的供电;同时,切换不是在过零点完成,所以在逆变器关闭到旁路导通的这段时间内输出电压有一个小的波动。此过程并不存在旁路和逆变输出同时向负载供电的情况。图中两个纵向游标之间可以明显观察到输出电压的波动,这一过程的持续时间为1.0ms。