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

　　1 UPS的工作方式與特點

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

　　UPS根據(jù)工作方式可以分為在線式、互動式和后備式三類。

　　在線式UPS正常工作時,先通過整流器將輸入的交流電轉換為直流電,再通過逆變器將直流電轉換為交流電輸出向負載供電,同時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、能夠調節(jié)輸出頻率、在電池放電終止前能夠不間斷運行等諸多優(yōu)點,但是其電路復雜、價格高且效率較低。

　　互動式UPS的逆變器可以雙向運行,正常工作時輸入的交流電直接向負載供電,并通過反向運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載供電�；�動式UPS具有成本低、結構簡單、效率高等優(yōu)點,但它同時具有輸入與輸出未隔離、對輸入電壓變化敏感、不能調整輸出頻率等缺點。

　　后備式UPS正常工作時輸入的交流電直接向負載供電,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載供電。由于后備式UPS正常工作時電池與充電器連接且與逆變器斷開,市電出現(xiàn)異常時,其電池會需要一個很短的切換時間來與逆變器連接并與充電器斷開，所以它并不是為負載不間斷供電。后備式UPS具有成本低、電路簡單等優(yōu)點，但同時也有輸入與輸出未隔離、具有切換時間、不能調整頻率等缺點。

　　現(xiàn)在使用的中大功率UPS絕大多數(shù)都是在線式UPS,因為它能夠為負載提供質量更好的交流電,并且能夠將負載與電網(wǎng)以及電網(wǎng)的諧波有效隔離。相對與互動式和后備式UPS而言,在線式UPS除了成本較高、效率較低外,具有互動式和后備式UPS不具備的諸多優(yōu)點。而通常情況下,互動式和后備式兩種類型只是應用于小功率UPS。本文討論的同步和切換問題均是針對在線式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)過整流和逆變兩個過程而直接輸出給負載供電。UPS在工作的時候,會隨時監(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,比較的是二者的頻率和相位。在UPS允許的范圍內,逆變器會自動實現(xiàn)對市電的頻率跟蹤和相位鎖定,以實現(xiàn)與市電的同步。而UPS逆變器的輸出電壓為UPS的設定值,可以通過設置UPS相關參數(shù)來調整,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候,需要兩者的電壓相同,如果此時兩者的電壓相差在一定的范圍內,逆變器會自動調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現(xiàn)切換,切換完成后再調整輸出電壓回到設定值。

　　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載供電。但在某些特殊情況下,逆變器可能會處于異常的工作狀態(tài)時,例如過載、過溫、元器件故障等,UPS會將負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(此范圍一般由UPS的相關參數(shù)來設定或內部設定),則UPS能夠實現(xiàn)不間斷切換。不間斷切換時,負載端不會掉電。當逆變輸出不滿足不間斷切換的要求時,UPS將在逆變輸出和旁路輸出之間實現(xiàn)間斷切換。間斷切換時,負載端會有短暫的掉電(掉電時間一般為毫秒級)。如果切換時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),則逆變器輸出和旁路輸出之間的切換是不間斷切換。此時,逆變器輸出和旁路輸出在一段時間內會產(chǎn)生重疊,逆變器和旁路交流電會同時導通向負載供電。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,則任意一個參數(shù)的差別都會造成瞬間的電位差,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)流也會較大,將可能會引起逆變器過載,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,則逆變器會根據(jù)旁路市電電壓的大小調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導通向負載供電,此時也不會形成環(huán)流,在兩路交流電同時輸出一段時間后,完成切換過程,切換完成后逆變器將調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,一般兩路輸出將會在一定時間內重疊,并且都會選擇在過零點時完成切換,所以切換是不間斷的。而從逆變輸出切換到旁路輸出時,一般逆變器會立即關閉,由于靜態(tài)開關的開啟或關閉需要一個響應時間(此響應時間一般為微秒級),而且此時的切換點也不一定是在零點,所以輸出電壓可能會在很短(幾微秒到幾毫秒)的時間內有一個電壓波動。

　　圖1為在線式UPS從旁路輸出切換到逆變輸出的波形圖�？梢詮膱D中看到,由于旁路市電的電壓比逆變器設定的電壓稍高,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逆變器產(chǎn)生損壞。此時旁路輸出和逆變輸出均已開啟,并同時向負載供電。一段時間后,旁路輸出關閉,逆變器調整輸出電壓下降至UPS的設定值,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為逆變器的異常引起,所以切換必須立即執(zhí)行,否則可能會引起嚴重后果。圖中可以看到,旁路市電電壓比逆變器輸出電壓略高,但切換時逆變器立即關閉,而旁路導通需要一個很短的時間,在此時間內靠UPS內部元器件的放電來維持負載的供電;同時,切換不是在過零點完成,所以在逆變器關閉到旁路導通的這段時間內輸出電壓有一個小的波動。此過程并不存在旁路和逆變輸出同時向負載供電的情況。圖中兩個縱向游標之間可以明顯觀察到輸出電壓的波動,這一過程的持續(xù)時間為1.0ms。

　　如果切換時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。間斷切換時應先關閉一路輸出,一定時間(一般為毫秒級)以后再啟動另一路供電輸出,所以向負載供電會中斷一定時間。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UPS或負載的傷害。

　　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,旁路市電電壓與逆變輸出的電壓差大于20%。根據(jù)該UPS的設置,此時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現(xiàn)的。在切換過程中,有一個短時間的斷電過程,此時逆變器和旁路市電均不向負載供電,但由于UPS內部存在電容等儲能元件,所以輸出電壓并不是立即回到零,而是緩慢下降。此時的電壓是靠UPS內部的儲能元件放電來維持。圖中兩個縱向游標之間即為斷電過程,這一過程的持續(xù)時間為3.0ms。

　　4 結束語

　　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現(xiàn),也可以通過間斷切換的方式來實現(xiàn)。由于UPS是不間斷供電,使用時應盡量保證不間斷運行,同時也應盡量保證切換是通過不間斷切換來實現(xiàn)的,所以正常運行時應盡量保證逆變器輸出和旁路交流電輸出的頻率、相位相同,電壓幅值之差應控制在一個較小的范圍內。