本文主要简单介绍典型传统UPS基本原理，可供掌握UPS设备现场维护要点的学习参考。UPS设备的本质类似变频电源电路的设计，变频电源又称交一直一交变频电源，通过AC-DC和DC-AC两次电能变换，效率稍低，但前级市电的干扰不会影响后级，输出波形好。变频电源是通过控制功率开关器件的通断，将工频交流电先通过整流器转换成直流电，然后再通过逆变器转换成频率、电压一定范围内可调节的交流电输出的电能控制装置，多用于交流电机的变频调速，不需要配蓄电池组。而UPS是不间断电源，作为用电设备的高质量高可靠、绿色电源，当电网停电时通过电池逆变方式输出固定幅值频率的交流电源，需要配置蓄电池组。
传统工频UPS系统一般UPS主要包括由整流模块(REC)和逆变模块(INV)、旁路静态开关和逆变静态开关、输出隔离变压器、蓄电池组以及输入输出配电开关等组成，开关是主路输入空开、旁路输入空开、维修旁路空开、输出空开以及蓄电池开关等。系统组成如图1-1所示，其中，空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电，另外对负载供电不间断而对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3。
图1-1 UPS原理框图
2.1 Buck-Boost电路
图2-1 典型buck-boost原理电路
工作过程：
1. 当功率管导通时，等效如图a，二极管D截止，电感L储能，感应电压为上正下负，电容用自己储能向负载放电。
2. 当功率管截止时，等效如图b，二极管D导通，电感中电流不能反向，电感两端产生自感电动势为下正上负。电感储能向电容充电和向负载放电。
3. 控制电路根据输出电压和电流的变化，控制功率管的导通和关断时间，就可以控制输出电压的大小。
2.2 UPS中典型PFC主功率模块图
APFC技术的核心是引进电压和电流反馈，以构成一个双闭环控制系统，外环稳定输出电压，内环实现输入电流调控和整形，使之成为与电压同相位的标准正弦波，以提高入端功率因数,例图说明其主要功能：市电供电时作整流升压电路，并进行输入功率因数校正；电池供电时作DC/DC升压，PFC模块电路工作原理图如：
图2-2 PFC主功率模块原理图
工作原理：主电路采用PFC主电路结构，同时兼作电池供电时的DC/DC升压主电路。正负半周分别控制。控制电路由硬件构成，一般采用PFC专用芯片UC3854AN。
市电输入正半周时，上部分正半周PFC电路工作；市电输入负半周时，下部分负半周PFC电路工作，在UC3854AN芯片内部电流环的调节下，输入电流跟踪输入电压呈正弦波形，且与输入电压同相； 在UC3854AN芯片内部电压环的调节下，使输出电压稳定电压。
电池输入时，正半周PFC电路工作在直流BOOST电路状态；负半周电路工作在BUCK/BOOST电路状态。使输出电压仍稳定电压不变。
3.1三相全桥整流
对于中大功率UPS，早期一般采用晶闸管整流电路完成整流，该变换器由于输入电流不连续，功率因数较低，需要输入侧加LC二阶滤波器以滤除电流谐波，这就增加了变换器的体积及成本，另一种形式采用IGBT及功率二极管组成Vienna整流器拓扑结构来确保输入的高功率因数。SCR整流电路一般有6脉冲和12脉冲整流。如图3-6为SCR整流原理示意图及采用三相SCR全桥整流电路6脉冲整流器图，SCR触发脉冲顺序：1－2－3－4－5－6－1。
图3-1 6脉冲SCR全桥整流原理图
12脉冲整流器采用了两个6脉冲整流器，其中一个6脉冲整流器的输入经过了一个30度移相的移相变压器。如图3-2所示，图中“负载”所指为“电池及逆变器”。
图3-2 12脉冲整流器原理示意图
4.1 SPWM波
UPS逆变输出功率管的控制方式一般采用SPWM（正弦波脉冲宽度调制）方式；它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压稳定。如图4-1为SPWM波产生过程。
图4-1 SPWM波产生示意图
4.2 全桥逆变
原理工作过程，逆变电路在SPWM信号的控制下两主功率管互补导通，这样在桥臂中点得到如图4-2所示宽度变化、幅值相同的正负极性方波。此波经LC滤波器滤除高次谐波后即可输出正弦波，全桥逆变电路如下图所示：
图4-2全桥逆变原理示意图
UPS的旁路和逆变输出支路分别接有静态开关。静态开关是有两个正反向并接的晶闸管组成，如图5-1所示，它使负载既可以连接到逆变器的输出又可以连接旁路电源上。在正常情况下，负载由逆变器供电，此时逆变器侧的静态开关闭合；但出现过载或逆变器故障时，静态旁路开关自动将负载切换到旁路电源。
图5-1 静态开关工作原理图
6.1 正常工作模式
在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。 AC输入经过整流器由AC变换成DC电压，再经逆变器由DC变换成AC输出，经由两级变换以后，能得到精度和质量都较好的输出电压，可以防止输入谐波、毛刺、电压瞬变等干扰影响负载；同时整流后的母线通过充电器为电池充电原理框图见图6-1。
图6-1 正常工作模式
6.2 电池工作模式
当UPS正常工作，整流器AC输入电压发生异常时，UPS系统自动无间断地切换到电池工作模式，由电池通过逆变器输出交流电向负载供电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。原理框图见图6-2。
图6-2 电池工作模式
6.3 旁路工作模式
当UPS侦测到模块过温，过载或者其他会关闭逆变器等的故障，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。旁路电源会直接给负载提供能量，电流回路如下图中粗线所示。旁路模式下负载供电质量不受UPS保护，容易受到停电、AC电压波形/频率异常等状况影响
当用户关机、或主路市电异常且电池储能耗尽、或发生严重故障等情况下、逆变器关闭，系统会切换并停留在旁路工作模式。此后若需恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机。原理框图见图6-3。
图6-3 旁路工作模式
6.4 维修工作模式
对UPS系统及电池进行全面检修或设备故障维修时，可以通过闭合维护开关Q3BP，将负载转向维修旁路直接供电，以实现对负载不停电维护。维修时需要断开UPS内部的主路输入开关Q1、旁路输入开关Q2和电池输入开关QF1以及输出开关Q5，实现UPS内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作模式。原理框图见图6-4。
图6-4 维修工作模式
总结：
本文简单介绍了传统SCR整流UPS（工频）基本原理，它优点为输入输出隔离、电网扰动不会影响负载、电池直接挂在母线上，缺点：体积大，重量大、成本高、输入谐波电流大、污染电网。目前趋势为功率因数高、谐波电流小、输入特性好、体积小、重量轻无隔离三相UPS（高频机）为主流，但通过学习典型传统UPS基本原理，可以学习掌握UPS现场维护及设备故障的处理。
注：本文已获得（富春云数据中心）授权转载
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