1.概述
现代大型的数据中心和复杂的计算机监控和安全保护系统，其交流220V电源要求稳定可靠，分秒不停。应运而生的不间断电源(简称UPS)，满足了这种“苛刻”负载严格的需求，消除了电网电压瞬变波动对重要负载的影响。
UPS电源对数据中心的安全稳定运行至关重要，UPS停电意味着系统瘫痪。如何提高UPS的可靠性，是保证数据中心安全稳定运行的重要基础。UPS系统是一个多路电源输入的低压多端网络，网络的核心设备逆变器和静态开关等，是一套电子元件自动控制的电力装置。因UPS供电系统中的各个环节的工作可靠性是系统可靠性的基础，而在满足系统可靠性的前提下，如何使配置的系统具有高的性能价格比是UPS供电系统规划设计和应用中的技术和经济问题，为此本文对大中型UPS的构成和工作原理及应用中的问题分别作以阐述和分析。
2.大中型UPS工作原理
2.1大中型UPS整流电路
大中型UPS中广泛应用三相桥式全控整流电路，当控制角α=0时，其工作过程与三相桥式不控整流电路相同，在自然换相点换相。当控制角α>0时,每个晶闸管都从自然换相点向后移α角开始换相。不管α为何值，电压Ud都是线电压的一部分。所以，从线电压入手计算Ud更简单，由于Ud波形每隔60°重复一次，Ud的计算只要在π/3范围内取平均值即可。在三相星形接法的电路中，线电压较其相应的相电压超前30°。现将线电压Uab的零点作为新坐标的原点，即比原来以相电压Ua零点的坐标提前30°。因此在新坐标上，自然换相点的位置在ωt=π/3处。
2.1.1电阻性负载。当0≤α≤π/3时，
Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα
式中Ud整流电压；U2变压器T次级相电压；U2L次级线电压。
当π/3<α <2π /3时，整流只能在正半周进行，当α=2π/3时Ud=0，从公式亦可看出电阻负载的最大移相范围是120°。
2.1.2电感性负载。对于电感性负载,由于电流是连续的,晶闸管的导通角总是2π/3,上式的积分上限可以超过π,仍为(2π/3)＋α,Ud=2.34U2cosα=1.35U2Lcosα
可见电感性负载时的最大移相范围为90°。
2.2大中型UPS充电电路
大容量UPS的充电电路,一般采用晶闸管作为整流元件,这是因为大容量UPS充电器的输出电压一般高达几百伏,充电电流为几十安培。在大功率UPS中一般都将充电器和整流器合二为一，虽然这使得其控制电路较为复杂，但由于大功率UPS本身造价较高，控制电路设计得稍微复杂一些并不会明显增加成本。充电器分为3个主要部分，即三相桥式全控整流器，由V1－V6和滤波电感L1，L2组成；采样电路，其功能是对三相桥输出的充电电压和电流进行采样，然后将采样的结果送到控制电路；控制电路，其功能是根据采样电路送来的电压和电流信号去控制三相桥式全控整流器，以调整其输出电压和充电电流。
大功率UPS的充电分为3个阶段：初期由于电池放电后损失较大，急需补充，故需充电电流较大，如不限流就会严重影响蓄电池的使用寿命，故这一阶段为恒流充电；当电压到达设计值（一般为浮充电压，每个电池单元为2.25V)时就转为恒压充电，蓄电池经过一段时间的恒压充电，当其端电压上升到某一值时就转为浮充充电。充电初期的充电电流IBmax，对于铅酸蓄电池为0.1C,对镍镉蓄电池为0.2C。
中容量UPS充电电路采用开关型降压斩波器，可自动实现恒流恒压充电。该充电器由于采用了微处理器监控，它除了具有一般充电器所要求的恒流恒压充电功能外，还具有以下功能：
①根据放电电流自动修正放电终止电压；
②根据环境温度自动修正浮充电压。
2.3大中型UPS逆变器
UPS的核心器件是逆变器。UPS的发展史其实就是采用不同逆变器器件的发展史。早期UPS采用的是可控硅,这种UPS效率低,噪声大,体积庞大。第二代UPS采用了双极晶体管,其开关速度可以做到音频以上。这样降低了噪声,减小了体积,但由于双极晶体管容易造成二次击穿,于是采用MOSFET的第三代UPS产生了。但它的弱点是不易把UPS容量做得很大。1982年,日本三菱公司成功地研制出具有场效应的高频特性,栅板电压可控,驱动电流小,并具有双极晶体管的大电流处理能力等诸多特点的新型功率器件,即隔离栅型双极性晶体管(IGBT)。山特公司是首家将IGBT技术应用于UPS领域的厂商,为此UPS发生了一次巨大的变革, 在提高逆变效率,改善UPS的各种输出特性的同时,也为大中型UPS的实现高频化、智能化控制变成了可能。
大中型UPS逆变器控制电路，除采用三相正弦脉宽调制技术外，波形叠加技术也得到了广泛应用，波形叠加技术有叠加式阶梯波、离散型阶梯波、脉宽阶梯混合波等多种。脉宽阶梯混合波逆变器是结合阶梯波的高效率和脉宽调制的低价格而采取的一种折衷方案，由于混合式的逆变频率较低，因而噪声较大。它的体积略大于脉宽调制式而小于阶梯式，多用于中大容量的UPS。 |
