在通信、金融、交通等諸多領(lǐng)域,UPS發(fā)揮著重要作用,為設(shè)備的正常運(yùn)行提供不間斷電力保障。然而,在一些特定的情況下,UPS可能需要將設(shè)備的供電切換到旁路供電。為了保證設(shè)備能夠不間斷運(yùn)行,有必要對(duì)UPS供電的狀態(tài)和切換方法進(jìn)行研究。

　　1 UPS的工作方式與特點(diǎn)

　　UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置,以逆變器為主要組成部分的電源設(shè)備。UPS主要用于為計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng),它能夠在市電停電時(shí)繼續(xù)為設(shè)備供電。

　　UPS根據(jù)工作方式可以分為在線式、互動(dòng)式和后備式三類。

　　在線式UPS正常工作時(shí),先通過整流器將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為直流電,再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出向負(fù)載供電,同時(shí)通過整流器為電池充電;在市電異常的情況下,電池通過逆變器向負(fù)載供電。在電池放電未終止或者具有備用電源的情況下,在線式UPS能夠保證為負(fù)載不間斷供電。工頻型在線式UPS具有輸出電壓精確、輸入與輸出隔離、輸出性能優(yōu)越、能夠調(diào)節(jié)輸出頻率、在電池放電終止前能夠不間斷運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn),但是其電路復(fù)雜、價(jià)格高且效率較低。

　　互動(dòng)式UPS的逆變器可以雙向運(yùn)行,正常工作時(shí)輸入的交流電直接向負(fù)載供電,并通過反向運(yùn)行的逆變器為電池充電;在市電異常的情況下,電池通過逆變器向負(fù)載供電�；�動(dòng)式UPS具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn),但它同時(shí)具有輸入與輸出未隔離、對(duì)輸入電壓變化敏感、不能調(diào)整輸出頻率等缺點(diǎn)。

　　后備式UPS正常工作時(shí)輸入的交流電直接向負(fù)載供電,并通過整流器(充電器)為電池充電;在市電異常的情況下,電池通過逆變器向負(fù)載供電。由于后備式UPS正常工作時(shí)電池與充電器連接且與逆變器斷開,市電出現(xiàn)異常時(shí),其電池會(huì)需要一個(gè)很短的切換時(shí)間來與逆變器連接并與充電器斷開，所以它并不是為負(fù)載不間斷供電。后備式UPS具有成本低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有輸入與輸出未隔離、具有切換時(shí)間、不能調(diào)整頻率等缺點(diǎn)。

　　現(xiàn)在使用的中大功率UPS絕大多數(shù)都是在線式UPS,因?yàn)樗�能夠�(yàn)樨?fù)載提供質(zhì)量更好的交流電,并且能夠?qū)⒇?fù)載與電網(wǎng)以及電網(wǎng)的諧波有效隔離。相對(duì)與互動(dòng)式和后備式UPS而言,在線式UPS除了成本較高、效率較低外,具有互動(dòng)式和后備式UPS不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)。而通常情況下,互動(dòng)式和后備式兩種類型只是應(yīng)用于小功率UPS。本文討論的同步和切換問題均是針對(duì)在線式UPS。

　　2 逆變和旁路輸出的同步

　　在線式UPS的逆變輸出是市電通過整流器變?yōu)橹绷麟?再通過逆變器將直流電變?yōu)榻涣麟姾筝敵鼋o負(fù)載供電。旁路輸出是市電或后備電源輸入后不經(jīng)過整流和逆變兩個(gè)過程而直接輸出給負(fù)載供電。UPS在工作的時(shí)候,會(huì)隨時(shí)監(jiān)控逆變輸出和旁路輸出是否同步。所謂同步,是指逆變輸出和旁路輸出的交流電具有相同的頻率、相位和電壓幅值。UPS判斷逆變輸出和旁路輸出是否同步時(shí),比較的是二者的頻率和相位。在UPS允許的范圍內(nèi),逆變器會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)市電的頻率跟蹤和相位鎖定,以實(shí)現(xiàn)與市電的同步。而UPS逆變器的輸出電壓為UPS的設(shè)定值,可以通過設(shè)置UPS相關(guān)參數(shù)來調(diào)整,而不是跟隨市電電壓而變化。UPS在逆變器輸出和旁路供電之間切換的時(shí)候,需要兩者的電壓相同,如果此時(shí)兩者的電壓相差在一定的范圍內(nèi),逆變器會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸出電壓使逆變器輸出的電壓與旁路輸出的電壓一致并實(shí)現(xiàn)切換,切換完成后再調(diào)整輸出電壓回到設(shè)定值。

　　3 逆變和旁路輸出的切換

　　在線式UPS在正常情況下都是由逆變器輸出向負(fù)載供電。但在某些特殊情況下,逆變器可能會(huì)處于異常的工作狀態(tài)時(shí),例如過載、過溫、元器件故障等,UPS會(huì)將負(fù)載從逆變器輸出切換到旁路供電狀態(tài)。

　　UPS在逆變輸出和旁路輸出之間的切換分為不間斷切換和間斷切換。當(dāng)逆變輸出和旁路輸出的交流電的頻率、相位都相同,且電壓幅值相差在一定的范圍內(nèi)(此范圍一般由UPS的相關(guān)參數(shù)來設(shè)定或內(nèi)部設(shè)定),則UPS能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷切換。不間斷切換時(shí),負(fù)載端不會(huì)掉電。當(dāng)逆變輸出不滿足不間斷切換的要求時(shí),UPS將在逆變輸出和旁路輸出之間實(shí)現(xiàn)間斷切換。間斷切換時(shí),負(fù)載端會(huì)有短暫的掉電(掉電時(shí)間一般為毫秒級(jí))。如果切換時(shí)逆變器輸出和旁路市電輸出滿足不間斷切換的條件(頻率和相位相同、電壓差在一定范圍內(nèi)),則逆變器輸出和旁路輸出之間的切換是不間斷切換。此時(shí),逆變器輸出和旁路輸出在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生重疊,逆變器和旁路交流電會(huì)同時(shí)導(dǎo)通向負(fù)載供電。兩路交流電重疊是有條件的,條件是兩路交流電的頻率、相位和電壓幅值在重疊的過程中必須保持一致,即兩路交流電同步。如果兩路交流電不同步,則任意一個(gè)參數(shù)的差別都會(huì)造成瞬間的電位差,該電位差將形成兩路交流電之間的環(huán)流。如果電位差較大,則環(huán)流也會(huì)較大,將可能會(huì)引起逆變器過載,甚至造成元器件損壞。所以,如果逆變器的輸出電壓與旁路市電的輸出電壓不相同,則逆變器會(huì)根據(jù)旁路市電電壓的大小調(diào)整輸出電壓使它的輸出電壓與旁路電壓相同,然后逆變器輸出和旁路市電輸出同時(shí)導(dǎo)通向負(fù)載供電,此時(shí)也不會(huì)形成環(huán)流,在兩路交流電同時(shí)輸出一段時(shí)間后,完成切換過程,切換完成后逆變器將調(diào)整輸出電壓回到正常的輸出電壓值。

　　UPS在從旁路輸出切換到逆變輸出時(shí),一般兩路輸出將會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)重疊,并且都會(huì)選擇在過零點(diǎn)時(shí)完成切換,所以切換是不間斷的。而從逆變輸出切換到旁路輸出時(shí),一般逆變器會(huì)立即關(guān)閉,由于靜態(tài)開關(guān)的開啟或關(guān)閉需要一個(gè)響應(yīng)時(shí)間(此響應(yīng)時(shí)間一般為微秒級(jí)),而且此時(shí)的切換點(diǎn)也不一定是在零點(diǎn),所以輸出電壓可能會(huì)在很短(幾微秒到幾毫秒)的時(shí)間內(nèi)有一個(gè)電壓波動(dòng)。

　　圖1為在線式UPS從旁路輸出切換到逆變輸出的波形圖。可以從圖中看到,由于旁路市電的電壓比逆變器設(shè)定的電壓稍高,所以在切換前逆變器升高了輸出電壓,使輸出電壓與旁路電壓相同或者略高于旁路電壓,這樣可以防止市電向逆變器反灌電流而對(duì)逆變器產(chǎn)生損壞。此時(shí)旁路輸出和逆變輸出均已開啟,并同時(shí)向負(fù)載供電。一段時(shí)間后,旁路輸出關(guān)閉,逆變器調(diào)整輸出電壓下降至UPS的設(shè)定值,逆變器正常輸出,UPS完成旁路輸出到逆變輸出的切換。

　　圖2為在線式UPS從逆變輸出切換到旁路輸出的波形圖。由于逆變器輸出切換到旁路供電通常是因?yàn)槟孀兤鞯漠惓Ｒ��?所以切換必須立即執(zhí)行,否則可能會(huì)引起嚴(yán)重后果。圖中可以看到,旁路市電電壓比逆變器輸出電壓略高,但切換時(shí)逆變器立即關(guān)閉,而旁路導(dǎo)通需要一個(gè)很短的時(shí)間,在此時(shí)間內(nèi)靠UPS內(nèi)部元器件的放電來維持負(fù)載的供電;同時(shí),切換不是在過零點(diǎn)完成,所以在逆變器關(guān)閉到旁路導(dǎo)通的這段時(shí)間內(nèi)輸出電壓有一個(gè)小的波動(dòng)。此過程并不存在旁路和逆變輸出同時(shí)向負(fù)載供電的情況。圖中兩個(gè)縱向游標(biāo)之間可以明顯觀察到輸出電壓的波動(dòng),這一過程的持續(xù)時(shí)間為1.0ms。

　　如果切換時(shí)逆變器輸出和旁路市電輸出的頻率或者相位不相同,或者兩者的電壓幅值相差過大、超過了允許的范圍,則UPS在逆變器輸出和旁路市電輸出之間的切換為間斷切換。間斷切換時(shí)應(yīng)先關(guān)閉一路輸出,一定時(shí)間(一般為毫秒級(jí))以后再啟動(dòng)另一路供電輸出,所以向負(fù)載供電會(huì)中斷一定時(shí)間。這樣能夠有效防止因兩路輸出之間形成環(huán)流而造成的對(duì)UPS或負(fù)載的傷害。

　　圖3顯示在線式UPS從逆變輸出間斷切換到旁路輸出的波形圖。此時(shí),旁路市電電壓與逆變輸出的電壓差大于20%。根據(jù)該UPS的設(shè)置,此時(shí)逆變輸出和旁路輸出電壓相差過大,從逆變輸出到旁路輸出的切換是通過間斷切換來實(shí)現(xiàn)的。在切換過程中,有一個(gè)短時(shí)間的斷電過程,此時(shí)逆變器和旁路市電均不向負(fù)載供電,但由于UPS內(nèi)部存在電容等儲(chǔ)能元件,所以輸出電壓并不是立即回到零,而是緩慢下降。此時(shí)的電壓是靠UPS內(nèi)部的儲(chǔ)能元件放電來維持。圖中兩個(gè)縱向游標(biāo)之間即為斷電過程,這一過程的持續(xù)時(shí)間為3.0ms。

　　4 結(jié)束語

　　本文闡述了在線式UPS在逆變器輸出狀態(tài)和旁路供電狀態(tài)之間的同步和切換問題。逆變器輸出狀態(tài)和旁路供電狀態(tài)下的同步通常要求頻率、相位和電壓幅值都相同。在逆變器輸出和旁路供電同步的情況下,兩者之間的切換可以通過不間斷切換的方式來實(shí)現(xiàn),也可以通過間斷切換的方式來實(shí)現(xiàn)。由于UPS是不間斷供電,使用時(shí)應(yīng)盡量保證不間斷運(yùn)行,同時(shí)也應(yīng)盡量保證切換是通過不間斷切換來實(shí)現(xiàn)的,所以正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量保證逆變器輸出和旁路交流電輸出的頻率、相位相同,電壓幅值之差應(yīng)控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。