UPS的運(yùn)行原理是什么？這些你需要了解
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-27 20:54
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電能是現(xiàn)在社會(huì)中使用范圍最廣泛的能源，仔細(xì)觀(guān)察一下我們周?chē)?，電燈，手機(jī)，電腦甚至電梯、地鐵等等都是用電力驅(qū)動(dòng)的設(shè)備，可以說(shuō)電已經(jīng)深入我們的身邊的每一個(gè)角落，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活都離不開(kāi)電能。最近有個(gè)很極端的例子，委內(nèi)瑞拉全國(guó)大規(guī)模停電，導(dǎo)致全國(guó)上下生產(chǎn)生活陷入停滯，甚至在民眾中產(chǎn)生了大范圍的恐慌情緒?？梢钥闯?，電力是日常生活中最重要的能源，沒(méi)有了電力，人類(lèi)生活水平可以說(shuō)直接要倒退100年以上。
同樣的，在機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施中，電力作為唯一的直接能源，在機(jī)房運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用。在電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維工作中，所作的大部分工作都是圍繞著“不能斷電”的原則開(kāi)展的。基于這個(gè)原則，我們的生產(chǎn)機(jī)房采用了2N供電的冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)行了開(kāi)關(guān)電纜的匹配選型，配置了各個(gè)層級(jí)的電力監(jiān)控，當(dāng)然還有大規(guī)模應(yīng)用的不間斷電源系統(tǒng)（UPS，uninterruptiblepowersupply）。
本文將主要介紹電力系統(tǒng)中三相電及UPS系統(tǒng)的運(yùn)行原理，希望大家閱讀本文之后能有所收獲。
三相交流電
交流電泛指一切電壓大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流。交流電因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)變壓器進(jìn)行簡(jiǎn)單的變壓操作，增加電壓，減少電流，進(jìn)而減小輸電線(xiàn)路的損耗，被廣泛用于電氣系統(tǒng)中。我國(guó)日常使用的交流電是電壓為220V，頻率為50Hz的正弦波電壓，具體波形見(jiàn)下圖。
其中Em是電壓最大值，ω指的是頻率角速度。換算到我們?nèi)粘５臄?shù)字，交流電的有效值
Ue=Em=220V,
頻率f=2π/ω=50Hz。
回顧了220V交流電，我們?cè)賮?lái)看看交流電是如何產(chǎn)生的。下圖簡(jiǎn)易的說(shuō)明了交流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電極導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)并切割磁場(chǎng)就可以產(chǎn)生電壓，由于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需要正向和反向各切割一次，因此產(chǎn)生的便是電壓變換正負(fù)極的交流電。
但是在工業(yè)生產(chǎn)中，這樣只有一組導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)顯然是不夠高效的，那么多空閑的空間沒(méi)有利用豈不是浪費(fèi)了。于是工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)在整個(gè)空間內(nèi)設(shè)置多組導(dǎo)體，便成為了多相電機(jī)。歷史上出現(xiàn)過(guò)很多種相數(shù)的電機(jī)，兩相，三相，四相等等，但綜合各種要素考量，最終由于三相電的各種優(yōu)勢(shì)，三相電機(jī)最終成為了應(yīng)用的主流，大部分6相、12相的電機(jī)也會(huì)通過(guò)一定的接線(xiàn)方式轉(zhuǎn)化為三相電進(jìn)行輸出。
具體說(shuō)道三相電，我們可以拿一個(gè)三人自行車(chē)來(lái)舉例子：當(dāng)一個(gè)人騎車(chē)的時(shí)候，兩腳做圓周運(yùn)動(dòng)，腳離軸的高度便可以近似成一個(gè)正弦函數(shù)Y=Msint，三個(gè)人騎車(chē)，就是處于三個(gè)不同相位的三個(gè)正弦函數(shù)。
如果三個(gè)人腳踏的旋轉(zhuǎn)角度正好錯(cuò)開(kāi)120度，設(shè)腳踏的高度為M，于是我從后面看他們?nèi)齻€(gè)人的腳踏位置為：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是說(shuō)，此三個(gè)人的腳踏高度的總和為零。類(lèi)似的，從三相電的曲線(xiàn)中也可以看出，線(xiàn)上三相電壓的代數(shù)和等于零！這就是三相電的特點(diǎn)。如果我們僅僅抽取其中的兩相電壓值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，電壓的代數(shù)和正好與第三相電壓大小相等方向相反。
可以看出，三相電便是由三個(gè)相同電壓不同相位組成的三組電源。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)（電路計(jì)算中一般采用相量計(jì)算），當(dāng)電源處于星形接線(xiàn)形式時(shí)（也是我們一般機(jī)房及樓宇配電常用形式），每相（火線(xiàn)）對(duì)中性線(xiàn)（零線(xiàn)）電壓均為220V，而兩相之間的電壓即為，也就是我們常說(shuō)的380V的電源。
總結(jié)一下我們上邊說(shuō)的結(jié)論，機(jī)房供電中，單相電就是220V電源；三相電就是三個(gè)220V的不同相電源，但是每?jī)上嘀g的電壓380V。
說(shuō)了這么多，那么三相電和我們今天的主題UPS之間到底有什么關(guān)系呢？在實(shí)際使用中，UPS的輸入和輸出都是三相電，然而在UPS的工作原理方面，二者并沒(méi)有什么關(guān)系。
UPS運(yùn)行原理
對(duì)于機(jī)房?jī)?nèi)的負(fù)載，由于重要性高，負(fù)載大，我們所用的UPS都是在線(xiàn)式UPS。在線(xiàn)式UPS是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過(guò)逆變電路，逆變器一直處于工作狀態(tài)。所以當(dāng)停電時(shí)，UPS能馬上將其存儲(chǔ)的電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，從而達(dá)到了輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)。
在線(xiàn)式UPS的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。在線(xiàn)式UPS一般為雙變換結(jié)構(gòu)。所謂雙變換是指UPS正常工作時(shí)，電能經(jīng)過(guò)了濾波器后，再經(jīng)過(guò)交流/直流、直流/交流兩次變換后再供給負(fù)載。
最前端是輸入濾波器，一方面濾除、隔離市電對(duì)UPS系統(tǒng)的干擾，另一方面也避免UPS內(nèi)部的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)“污染”市電。輸入濾波器的形式有很多種，通常采用電子類(lèi)EMI，成本低，效率高。也可以采用帶隔離變壓器形式的濾波器，由隔離變壓器對(duì)市電和后續(xù)電源進(jìn)行電磁藕合，使得市電和UPS沒(méi)有直接電氣聯(lián)系，部分突變的干擾不會(huì)傳導(dǎo)至整流器中。目前我行上帝生產(chǎn)機(jī)房的UPS均采用了隔離變壓器的濾波形式。
在線(xiàn)式UPS不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出功率總是由逆變器提供。市電中斷或送電時(shí)，無(wú)任何轉(zhuǎn)換時(shí)間。平時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流，然后再由逆變器將直流轉(zhuǎn)換成純凈的正弦電壓供給負(fù)載。另一路，市電經(jīng)整流后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。下圖中實(shí)線(xiàn)部分就是正常工作情況下的電流走向。
如果靜態(tài)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換是由于逆變器故障引起，UPS會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果是由于過(guò)載引起，當(dāng)過(guò)載消失后，靜態(tài)開(kāi)關(guān)重新切換回到逆變器輸出端。
實(shí)現(xiàn)電壓變換的兩個(gè)主要部件分別是整流器和逆變器，分別起到交流-直流的變換和直流-交流的變換。一般UPS都采用了橋式整流的結(jié)構(gòu)對(duì)交流電進(jìn)行整流。下圖是簡(jiǎn)單的橋式整流電路圖及工作原理，利用了二極管單相導(dǎo)通特性，在電壓處于不同方向時(shí)導(dǎo)通對(duì)角的二極管，配合一定的濾波穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)交流-直流的轉(zhuǎn)換。
相比之下，逆變器的原理相對(duì)復(fù)雜，筆者在此只進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的解釋。目前主流的逆變器都采用了脈寬調(diào)制(PWM)的方式對(duì)直流電進(jìn)行變換。正弦脈寬調(diào)制是根據(jù)能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種脈寬調(diào)制法。
同樣的，在機(jī)房的基礎(chǔ)設(shè)施中，電力作為唯一的直接能源，在機(jī)房運(yùn)行中起到了至關(guān)重要的作用。在電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)維工作中，所作的大部分工作都是圍繞著“不能斷電”的原則開(kāi)展的。基于這個(gè)原則，我們的生產(chǎn)機(jī)房采用了2N供電的冗余設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)行了開(kāi)關(guān)電纜的匹配選型，配置了各個(gè)層級(jí)的電力監(jiān)控，當(dāng)然還有大規(guī)模應(yīng)用的不間斷電源系統(tǒng)（UPS，uninterruptiblepowersupply）。
本文將主要介紹電力系統(tǒng)中三相電及UPS系統(tǒng)的運(yùn)行原理，希望大家閱讀本文之后能有所收獲。
三相交流電
交流電泛指一切電壓大小和方向都發(fā)生周期性變化的電流。交流電因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)變壓器進(jìn)行簡(jiǎn)單的變壓操作，增加電壓，減少電流，進(jìn)而減小輸電線(xiàn)路的損耗，被廣泛用于電氣系統(tǒng)中。我國(guó)日常使用的交流電是電壓為220V，頻率為50Hz的正弦波電壓，具體波形見(jiàn)下圖。
其中Em是電壓最大值，ω指的是頻率角速度。換算到我們?nèi)粘５臄?shù)字，交流電的有效值
Ue=Em=220V,
頻率f=2π/ω=50Hz。
回顧了220V交流電，我們?cè)賮?lái)看看交流電是如何產(chǎn)生的。下圖簡(jiǎn)易的說(shuō)明了交流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電極導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)并切割磁場(chǎng)就可以產(chǎn)生電壓，由于旋轉(zhuǎn)過(guò)程中需要正向和反向各切割一次，因此產(chǎn)生的便是電壓變換正負(fù)極的交流電。
但是在工業(yè)生產(chǎn)中，這樣只有一組導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)顯然是不夠高效的，那么多空閑的空間沒(méi)有利用豈不是浪費(fèi)了。于是工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)在整個(gè)空間內(nèi)設(shè)置多組導(dǎo)體，便成為了多相電機(jī)。歷史上出現(xiàn)過(guò)很多種相數(shù)的電機(jī)，兩相，三相，四相等等，但綜合各種要素考量，最終由于三相電的各種優(yōu)勢(shì)，三相電機(jī)最終成為了應(yīng)用的主流，大部分6相、12相的電機(jī)也會(huì)通過(guò)一定的接線(xiàn)方式轉(zhuǎn)化為三相電進(jìn)行輸出。
具體說(shuō)道三相電，我們可以拿一個(gè)三人自行車(chē)來(lái)舉例子：當(dāng)一個(gè)人騎車(chē)的時(shí)候，兩腳做圓周運(yùn)動(dòng)，腳離軸的高度便可以近似成一個(gè)正弦函數(shù)Y=Msint，三個(gè)人騎車(chē)，就是處于三個(gè)不同相位的三個(gè)正弦函數(shù)。
如果三個(gè)人腳踏的旋轉(zhuǎn)角度正好錯(cuò)開(kāi)120度，設(shè)腳踏的高度為M，于是我從后面看他們?nèi)齻€(gè)人的腳踏位置為：Y=Msin0+Msin120+Msin240=M(sin0+sin120+sin240)=0，也就是說(shuō)，此三個(gè)人的腳踏高度的總和為零。類(lèi)似的，從三相電的曲線(xiàn)中也可以看出，線(xiàn)上三相電壓的代數(shù)和等于零！這就是三相電的特點(diǎn)。如果我們僅僅抽取其中的兩相電壓值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，電壓的代數(shù)和正好與第三相電壓大小相等方向相反。
可以看出，三相電便是由三個(gè)相同電壓不同相位組成的三組電源。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)（電路計(jì)算中一般采用相量計(jì)算），當(dāng)電源處于星形接線(xiàn)形式時(shí)（也是我們一般機(jī)房及樓宇配電常用形式），每相（火線(xiàn)）對(duì)中性線(xiàn)（零線(xiàn)）電壓均為220V，而兩相之間的電壓即為，也就是我們常說(shuō)的380V的電源。
總結(jié)一下我們上邊說(shuō)的結(jié)論，機(jī)房供電中，單相電就是220V電源；三相電就是三個(gè)220V的不同相電源，但是每?jī)上嘀g的電壓380V。
說(shuō)了這么多，那么三相電和我們今天的主題UPS之間到底有什么關(guān)系呢？在實(shí)際使用中，UPS的輸入和輸出都是三相電，然而在UPS的工作原理方面，二者并沒(méi)有什么關(guān)系。
UPS運(yùn)行原理
對(duì)于機(jī)房?jī)?nèi)的負(fù)載，由于重要性高，負(fù)載大，我們所用的UPS都是在線(xiàn)式UPS。在線(xiàn)式UPS是指不管電網(wǎng)電壓是否正常，負(fù)載所用的交流電壓都要經(jīng)過(guò)逆變電路，逆變器一直處于工作狀態(tài)。所以當(dāng)停電時(shí)，UPS能馬上將其存儲(chǔ)的電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，從而達(dá)到了輸出電壓零中斷的切換目標(biāo)。
在線(xiàn)式UPS的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。在線(xiàn)式UPS一般為雙變換結(jié)構(gòu)。所謂雙變換是指UPS正常工作時(shí)，電能經(jīng)過(guò)了濾波器后，再經(jīng)過(guò)交流/直流、直流/交流兩次變換后再供給負(fù)載。
最前端是輸入濾波器，一方面濾除、隔離市電對(duì)UPS系統(tǒng)的干擾，另一方面也避免UPS內(nèi)部的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)“污染”市電。輸入濾波器的形式有很多種，通常采用電子類(lèi)EMI，成本低，效率高。也可以采用帶隔離變壓器形式的濾波器，由隔離變壓器對(duì)市電和后續(xù)電源進(jìn)行電磁藕合，使得市電和UPS沒(méi)有直接電氣聯(lián)系，部分突變的干擾不會(huì)傳導(dǎo)至整流器中。目前我行上帝生產(chǎn)機(jī)房的UPS均采用了隔離變壓器的濾波形式。
在線(xiàn)式UPS不論是由市電還是由蓄電池供電，其輸出功率總是由逆變器提供。市電中斷或送電時(shí)，無(wú)任何轉(zhuǎn)換時(shí)間。平時(shí)，市電經(jīng)整流器變成直流，然后再由逆變器將直流轉(zhuǎn)換成純凈的正弦電壓供給負(fù)載。另一路，市電經(jīng)整流后對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。下圖中實(shí)線(xiàn)部分就是正常工作情況下的電流走向。
如果靜態(tài)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換是由于逆變器故障引起，UPS會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；如果是由于過(guò)載引起，當(dāng)過(guò)載消失后，靜態(tài)開(kāi)關(guān)重新切換回到逆變器輸出端。
實(shí)現(xiàn)電壓變換的兩個(gè)主要部件分別是整流器和逆變器，分別起到交流-直流的變換和直流-交流的變換。一般UPS都采用了橋式整流的結(jié)構(gòu)對(duì)交流電進(jìn)行整流。下圖是簡(jiǎn)單的橋式整流電路圖及工作原理，利用了二極管單相導(dǎo)通特性，在電壓處于不同方向時(shí)導(dǎo)通對(duì)角的二極管，配合一定的濾波穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)交流-直流的轉(zhuǎn)換。
相比之下，逆變器的原理相對(duì)復(fù)雜，筆者在此只進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的解釋。目前主流的逆變器都采用了脈寬調(diào)制(PWM)的方式對(duì)直流電進(jìn)行變換。正弦脈寬調(diào)制是根據(jù)能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種脈寬調(diào)制法。
