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UPS不间断电源工作原理详解

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UPS,即不间断电源,是一种能够在市电出现问题时,依然为设备提供稳定电能的电子装置。它的重要性不言而喻,尤其是在对电力供应稳定性要求极高的场合,如数据中心、医院、机场等。
早期的UPS系统主要采用直流电动机-交流发电机的方式。在市电正常时,通过整流器将市电转换为直流电,使直流电动机运转,同时蓄电池也处于浮充状态。当交流发电机运转时,它将直流电转换为交流电,为负载提供电力。然而,这种旋转式的UPS系统存在一些缺点,比如轴承等机械部件的磨损,导致其可靠性受到影响;同时,效率也较低,大约只有80%。
为了解决这些问题,1965年研制成功了使用晶闸管的静止式UPS系统。这种系统逐步取代了之前的旋转式机组,它由整流器、逆变器、滤波器组成。在市电正常时,整流器将交流电转换为直流电,为逆变器提供电源,同时充当蓄电池的充电器。当市电出现故障时,UPS系统将切换到蓄电池供电,并启动备用电源,如柴油发电机组等,以确保供电的连续性。
这种静止式UPS系统具有以下优点:
1. 供电稳定性:UPS系统能够实现不间断供电,确保负载设备正常运行。 2. 供电质量:UPS系统可严格控制逆变器工作频率,使供电频率稳定;同时,通过闭环控制调节供电电压,避免电压瞬变,提高供电系统的可靠性与质量。 3. 应用广泛:UPS系统在数据中心、医院、机场、能源中心等场合得到广泛应用,有效降低因电源故障带来的风险。
然而,静止式UPS系统也存在一些问题,如晶闸管作为开关元件时,需要相应的换流电路,增加了主电路的控制电路复杂性,降低了逆变器的可靠性;晶闸管的开关速度受限,导致输出滤波器尺寸较大,影响了UPS的暂态性能;此外,采用晶闸管的整流器会降低整个装置的功率因数
为了解决这些问题,新型功率晶体管、功率MOS场效应管、可关断晶闸管等自关断元件被应用于UPS系统中,有效提高了系统的性能和可靠性。
总之,UPS系统作为保障电力供应稳定的重要设备,在未来将继续发挥重要作用。随着技术的不断发展,UPS系统将更加高效、可靠,为各种负载设备提供更加稳定的电力供应。能实现不间断供电的电子装置,称无间断电源(UPS,uninterruptible power supply)。早期的不停电供电方案是采用直流电动机-交流发电机系统。在市电供电正常时,市电由整流器变换为直流电,使直流电动机旋转,并使一组蓄电池处于浮充状态。直流电动机再驱动交流发电机,对负载提供交流电能。当市电发生故障时,直流电动机改由蓄电池供电,因而不致使供电中断。这种旋转式的不停电供电系统的质量受到轴承等机械磨损的影响;效率也较低,约80%。
  1965年研制成功了用晶闸管制作的静止式不停电供电系统。它逐步取代了旋转式机组。它由一套把交流电变为直流电的整流器、一套把直流电变为交流电的逆变器和滤波器组成(见图)。在市电供电正常时,整流器提供逆变器的直流电源,并兼作蓄电池的充电器(或采用另一单独充电器),以便贮存电能。当市电发生故障时,改由蓄电池对逆变器供电;同时起动备用电源(如柴油发电机组等),待备用电源运转正常后,代替市电继续供电。有些用户只需在市电突然中断后,在蓄电池供电期间作必要的应急处理,则可不需备用电源,此时蓄电池容量的大小决定了继续供电时间的长短。



  不停电电源能实现不间断供电,同时可严格控制逆变器工作频率,使供电频率稳定;又因供电电压的闭环控制调节,可避免出现任何一种电压瞬变(浪涌、下跌等),因而大大提高了供电系统的可靠性与质量。一些部门,如过程控制系统,数据处理系统、航空站、能源中心、医用控制系统、交通控制系统、大型商场等,由于电源故障要付出很大的代价或带来危险。为了解决供电质量,60年代以来静止式不停电供电系统得到了迅速发展。
  不停电电源与其他电力电子装置一样,当逆变器采用晶闸管作为开关元件时,都必须具备相应的换流电路,这就使主电路的控制电路复杂化,因而相应地降低了逆变器的可靠性。鉴于晶闸管当今的生产水平和自身的特性,逆变器的开关速度不能做得很高,因此输出滤波器的尺寸较大,这也影响了不停电电源的暂态性能。另外,当整流器采用晶闸管后,整个装置的功率因数也会相应降低。在采用新型的功率晶体管、功率MOS场效应管、可关断晶闸管等自关断元件作为开关元件后,以上问题得到改善。

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