鸿贝蓄电池FM/BB12100T后备储能工业电池

鸿贝蓄电池FM/BB12100T后备储能工业电池

1.UPS系统基本组成

传统工频UPS系统一般UPS主要包括由整流模块（REC）和逆变模块（INV）、旁路静态开关和逆变静态开关、输出隔离变压器、蓄电池组以及输入输出配电开关等组成，开关是主路输入空开、旁路输入空开、维修旁路空开、输出空开以及蓄电池开关等。系统组成如图1-1所示，其中，空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电，对负载供电不间断而对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3.

图1-1  UPS原理框图

2. Buck-Boost电路介绍

      2.1 Buck-Boost电路

图2-1 典型buck-boost原理电路

工作过程：

1. 当功率管导通时，等效如图a，二极管D截止，电感L储能，感应电压为上正下负，电容用自己储能向负载放电。

2.当功率管截止时，等效如图b，二极管D导通，电感中电流不能反向，电感两端产生自感电动势为下正上负。电感储能向电容充电和向负载放电。

3. 控制电路根据输出电压和电流的变化，控制功率管的导通和关断时间，就可以控制输出电压的大小。

2.2  UPS中典型PFC主功率模块图

APFC技术的核心是引进电压和电流反馈，以构成一个双闭环控制系统，外环稳定输出电压，内环实现输入电流调控和整形，使之成为与电压同相位的标准正弦波，以提高入端功率因数，例图说明其主要功能：市电供电时作整流升压电路，并进行输入功率因数校正；电池供电时作DC/DC升压，PFC模块电路工作原理图如：

图2-2  PFC主功率模块原理图

工作原理：主电路采用PFC主电路结构，兼作电池供电时的DC/DC升压主电路。正负半周分别控制。控制电路由硬件构成，一般采用PFC专用芯片UC3854AN.

市电输入正半周时，上部分正半周PFC电路工作；市电输入负半周时，下部分负半周PFC电路工作，在UC3854AN芯片内部电流环的调节下，输入电流跟踪输入电压呈正弦波形，且与输入电压同相；在UC3854AN芯片内部电压环的调节下，使输出电压稳定电压。

电池输入时，正半周PFC电路工作在直流BOOST电路状态；负半周电路工作在BUCK/BOOST电路状态。使输出电压仍稳定电压不变。

3.整流器基本原理

3.1三相全桥整流

对于中大功率UPS，早期一般采用晶闸管整流电路完成整流，该变换器由于输入电流不连续，功率因数较低，需要输入侧加LC二阶滤波器以滤除电流谐波，这就增加了变换器的体积及成本，另一种形式采用IGBT及功率二极管组成Vienna整流器拓扑结构来确保输入的高功率因数。SCR整流电路一般有6脉冲和12脉冲整流。如图3-6为SCR整流原理示意图及采用三相SCR全桥整流电路6脉冲整流器图，SCR触发脉冲顺序：1－2－3－4－5－6－1.

图3-1 6脉冲SCR全桥整流原理图

12脉冲整流器采用了两个6脉冲整流器，其中一个6脉冲整流器的输入经过了一个30度移相的移相变压器。如图3-2所示，图中“负载”所指为“电池及逆变器”。

图3-2  12脉冲整流器原理示意图

4. 逆变器基本原理

4.1  SPWM波

UPS逆变输出功率管的控制方式一般采用SPWM（正弦波脉冲宽度调制）方式；它用调整脉冲宽度和控制占空比的方法来达到输出电压稳定。如图4-1为SPWM波产生过程。

图4-1 SPWM波产生示意图

4.2 全桥逆变

原理工作过程，逆变电路在SPWM信号的控制下两主功率管互补导通，这样在桥臂中点得到如图4-2所示宽度变化、幅值相同的正负极性方波。此波经LC滤波器滤除高次谐波后即可输出正弦波，全桥逆变电路如下图所示：

图4-2全桥逆变原理示意图

5.静态开关

UPS的旁路和逆变输出支路分别接有静态开关。静态开关是有两个正反向并接的晶闸管组成，如图5-1所示，它使负载既可以连接到逆变器的输出又可以连接旁路电源上。在正常情况下，负载由逆变器供电，此时逆变器侧的静态开关闭合；但出现过载或逆变器故障时，静态旁路开关自动将负载切换到旁路电源。

图5-1 静态开关工作原理图

6. UPS系统常见工作模式介绍

6.1  正常工作模式

在主路市电正常时，UPS一方面通过整流器、逆变器给负载提供高品质交流电源；另一方面通过整流器为电池充电，将能量储存在电池中。AC输入经过整流器由AC变换成DC电压，再经逆变器由DC变换成AC输出，经由两级变换以后，能得到精度和质量都较好的输出电压，可以防止输入谐波、毛刺、电压瞬变等干扰影响负载；整流后的母线通过充电器为电池充电原理框图见图6-1.

图6-1 正常工作模式

6.2  电池工作模式

当UPS正常工作，整流器AC输入电压发生异常时，UPS系统自动无间断地切换到电池工作模式，由电池通过逆变器输出交流电向负载供电。市电恢复后系统自动无间断地恢复到正常工作模式。原理框图见图6-2.

图6-2 电池工作模式

6.3  旁路工作模式

当UPS侦测到模块过温，过载或者其他会关闭逆变器等的故障，系统自动无间断切换到静态旁路电源向负载供电。旁路电源会直接给负载提供能量，电流回路如下图中粗线所示。旁路模式下负载供电质量不受UPS保护，容易受到停电、AC电压波形/频率异常等状况影响

当用户关机、或主路市电异常且电池储能耗尽、或发生严重故障等情况下、逆变器关闭，系统会切换并停留在旁路工作模式。此后若需恢复到正常工作模式，则需要用户重新开机。原理框图见图6-3.

图6-3 旁路工作模式

6.4  维修工作模式

对UPS系统及电池进行全面检修或设备故障维修时，可以通过闭合维护开关Q3BP，将负载转向维修旁路直接供电，以实现对负载不停电维护。维修时需要断开UPS内部的主路输入开关Q1、旁路输入开关Q2和电池输入开关QF1以及输出开关Q5，实现UPS内部不带电而对负载仍然维持供电的维修工作模式。原理框图见图6-4.

图6-4 维修工作模式

本文简单介绍了传统SCR整流UPS（工频）基本原理，它优点为输入输出隔离、电网扰动不会影响负载、电池直接挂在母线上，缺点：体积大，重量大、成本高、输入谐波电流大、污染电网。目前趋势为功率因数高、谐波电流小、输入特性好、体积小、重量轻无隔离三相UPS（高频机）为主流，但通过学习典型传统UPS基本原理，可以学习掌握UPS现场维护及设备故障的处理。