UPS系統中的電源解決方案

一、引言

UPS（Uninterruptible Power System），即不間斷電源系統，是一種含有儲能裝置（通常為蓄電池），以逆變器為主要組成部分的恒電壓、恒頻率輸出的不間斷電源系統。主要應用于要求設備24小時供電的場合，如通訊設備、計算機網絡系統或其它電力電子設備等。當市電中斷（事故停電）時，UPS立即將機內儲能裝置的電能，通過逆變轉換的方式向負載繼續供應交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

二、UPS系統介紹及過程分析

圖一是個非常典型的UPS在地鐵中的應用，從上圖中可以明顯看到，該系統包含配電柜、UPS電源和外置維護開關，終端負載為各機電系統，如信號系統、通信系統、綜合監控系統、自動售檢票系統、自動列車監控系統等子系統。配電柜的作用是對用電設備進行配電和控制，在電路出現過載、短路和漏電時，配電柜還可以進行斷電保護；外置維護開關主要是在維護檢測過程中閉合，旁路掉UPS的電路，使電能從外置維護開關的電路上通過，實現了在保證后端負載能夠得到正常供電的情況下不影響對設備的維護；在市電異常，配電柜斷電的情況下，UPS電源通過儲能裝置給后端的設備供電。

UPS的內部結構如圖二，主要由五部分組成：電源輸入電路，進行AC/DC變換的整流器，進行DC/AC變換的逆變器，輸出切換電路以及蓄能電池。其系統的穩壓功能通常是由整流器完成的。凈化功能由儲能電池來完成，由于整流器對瞬時脈沖干擾不能消除，整流后的電壓仍存在干擾脈沖。儲能電池除可存儲直流能量的功能外，對整流器來說就像接了一只大容量電容器，其等效電容量的大小，與儲能電池容量大小成正比。頻率的穩定則由變換器來完成，頻率穩定度取決于變換器的振蕩頻率的穩定程度。為方便UPS電源系統的日常操作與維護，設計了系統工作開關，主機自檢故障后的自動旁路開關，檢修旁路開關等開關控制。

下面結合UPS的內部結構，分析市電供電和斷電兩種狀態下UPS的工作過程：

1、市電正常時，交流電通過主電輸入端口，交流電輸入經整流濾波變換成直流后，再通過SPWM逆變器逆變，然后交流電供給輸出，最后通過逆變靜態開關切換到用戶負載，形成整個供電的通路。在UPS系統中，之所以在市電供電的情況下還需經過整流、逆變等電路，而不是直接由市電給后端的用戶負載供電，其目的是提高供電、用電的質量。同時，通過整流后的直流也給予電池組充電，詳細過程見圖三，工作路線見圖中的標示。

2、當市電異常（斷電）時，主電輸入端口已經沒有電能輸入，而是由電池輸入，通過SPWM逆變器逆變出交流電供給輸出，通過逆變靜態開關切換到輸出給用戶負載，完成整個供電的通路。詳細過程見圖四，工作路線見圖中的標示。

三、電源解決方案分析

對于整個系統而言，各功能電路的工作電源的重要性是不言而喻的，因為一旦工作電源出現故障，整個裝置就陷入癱瘓狀態，正常工作就無從談起，因此工作電源必須可靠、精確。

1、整流/充電電路：

整流/充電在UPS中主要由兩個作用：一是將交流電整流成直流電，經濾波供逆變器使用，二是給蓄電池提供充電電壓，對蓄電池進行充電。控制電路是整個整流/充電電路的核心，因為無論是整流直流輸出作為逆變器的輸入控制，還是給蓄電池充放電的控制，必須保證控制可靠、穩定、有序，因此一般會采用微機控制為核心的控制系統，實現測量與采集、脈沖輸出與同步，信號輸出等功能，見下圖五。

根據各個功能電路的特點，微機處理器、信號輸出和脈沖輸出的隔離光耦一般采用5V/1A供電，轉換A/D采樣電路一般為±15V/0.3A，而保護電路中的繼電器和后端驅動電路可以采用24V/1A，前端直接通過接入市電供電，金升陽提供的LH60-20B24\URB2405YMD-6WR3\URA2415YMD-10WR3的開關電源能夠完美的解決此處的供電方案，具體的初步方案可以設計如下圖六：

2、逆變器---IGBT驅動電路

逆變是將直流電變為交流電，實現逆變的電路稱為逆變電路，逆變器的主要功能就是將整流/充電器的輸出直流電壓變換成穩壓穩頻的交流電。逆變器主回路采用的是三相橋式逆變電路，控制方式采用SPWM調制方式，逆變功率器件選用IGBT。

IGBT屬于大功率開關管，需要單獨的驅動電路才能滿足其快速開通和關斷，且IGBT需要的驅動電壓一般為﹢15V和-9V，同時要考慮到每個驅動要隔離供電，不能共用一個電源，因此前端的直流供電可以采用24V的輸入，金升陽可提供URB2415LD-20WR3開關電源和QP12W05S-37 IGBT驅動器，轉換成電源供電方案的電路設計如下圖七：

以上圖六和圖七推薦的電源方案為廣州金升陽的隔離型開關電源及驅動器的型號，具備高隔離耐壓、小體積、耐高溫和寬電壓輸入等特點，很好的滿足了UPS系統各部分供電的要求。電源模塊的隔離功能能夠減少負載與負載間的相互干擾，同時在高壓逆變電路中起到了安全保護的作用，另一方面開關電源具有高效率、穩壓、高精度的特性，能更好的保證整個系統的穩定、可靠運行。

四、總結

UPS在現代社會的發展中是不可缺少的，為生產、生活做了不少的貢獻，新一代更便捷、更智能的UPS系統是研發工程師開發的方向。同時，系統內部的電源解決方案將直接影響到系統的穩定性和可靠性，因此在系統的設計過程中除了實現和完善其功能外，還要保證工作電源其方案的穩定性和可靠性。

眾所周知，UPS意為"不間斷電源系統"，承擔著在市電一旦掉電(停電)，后備電源幾乎是在無斷點的狀況下，對原有負荷繼續供電。其對保證了計算機正常運行及計算機不丟失信息和數據和機設備的安全有這及其重要的作用，那么在選擇其安裝環境時，應注意哪些事項呢？小編為您整理報道。

1、通風良好、設備清潔、通風口沒有障礙物。要保證設備前部至少留有1000 mm寬的通道以方便出入，柜體上方至少留有400 mm 的空間以方便通風。

2、裝置及周圍地面干凈、整潔、無雜物，不易產生灰塵。

3、裝置周圍不應有腐蝕性或酸性氣體。

4、室內照明充足，絕緣墊完整良好，必備的安全用具和消防器材齊全，位置擺放正確。

5、進入UPS的空氣溫度不超過35℃。

6、各屏、柜內應清潔無塵、無雜物、嚴禁存放易燃易爆物品。

7、沒有導電及易爆塵埃，沒有腐蝕及破壞絕緣的氣體的場所。

8、使用地點無強烈震動和沖擊。

9、安裝場所應無導電微粒、無爆炸塵埃、無嚴重霉菌、無腐蝕金屬和破壞絕緣的氣體。

10、電池間／柜柜使用環境溫度在20°C－25°C 佳，否則電池和主機的使用壽命會相應減少

根據調查機構Hexa公司的報告，由于數據中心電力中斷，數據傳輸中斷和數據丟失導致數據中心UPS電源需求上升。預計2020年全球數據中心不間斷電源（UPS）市場規模預計將達到56.7億美元。

Hexa公司表示，ERP系統、CRM系統、云存儲、文件器，以及數據倉庫不斷增加的需求，驅動了數據中心UPS市場的增長。

研究還發現，具有自我診斷和通信智能UPS系統獲得了用戶的青睞，因為它們有助于大大減少故障排除時間。

中小型便攜式UPS系統已經得到普及，特別是在中小型企業中。Hexa公司指出，普及應用這種特殊的需求也將推動數據中心的UPS市場增長。

根據Hexa公司的報告，2013年小型數據中心UPS系統的銷售收入占整體市場收入的50％以上，這是因為中小企業希望建立自己的數據中心，以滿足業務需求。

Hexa公司預計大型數據中心UPS系統將會有著相當大的增長，因為組織將會擴大他們的設備規模。研究發現，直到2020年，亞太地區數據中心的UPS市場將會獲得顯著的增長。

Hexa公司表示，那些擁有成熟的工程和測試部門的知名廠商，以及維修工程師提供，其市場都將得到較大的增長。

而那些市場領先的行業廠商強調，為了獲得競爭優勢，在未開發的區域建立銷售和隊伍是一個很好的舉措。