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APCUPS电源的旁路电源设计

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旁路电源是实现APC不间断供电UPS装置中一个不可缺少的部分,缺少它,UPS就不完善,

 

就不能实现不间断供电。旁路电源有静态旁路和维修旁路两部分组成。前者作为在线式UPS的后备电源:后者作为UPS检修、维修时用。—般取市电作为旁路电源,旁路电源系统构成如下图所示:

APCUPS电源静态旁路的基本原理

静态旁路电源是作为在线式UPS的逆变器发生故障时的后备电源,以保证负载的不间断供电。从图中可看出,静态旁路电源中使用了两组静态开关,静态旁路后备电源以及逆变器在线电源都是通过静态开关向负载供电。在线逆变器供电和市电旁路供电之间的转换开关采用静态开关(一对反并联的决速晶闸管连接而成)而不采用传统快速继电器方案,正是大功率UPS和小功率UPS旁路设计的显著区别。在大功率APCUPS电源系统中,采用了静态开关技术,即利用快速晶闸管作为转换器件,软件上采用同步锁相技术来实现负载的零时间切换的不间断供电。

 

切换与控制

正因为逆变器电源和旁路电源之间的切换对于保证负载的不间断供电起着至关重要的作用,因此,切换的控制要做到简洁、可靠。APCUPS电源的逆变器产生的50Hz正弦波电源应随时保持与市电50Hz工频旁路电源的同频、同相、同幅和较小的正弦波失真度的关系。这就是UPS电源切换操作的基本工作条件。也只有在这样的条件下才能使UPS电源在执行逆变器供电与市电交流旁路供电之间切换操作时,实现上述两种电源之间不存在任何瞬态电压差或是在瞬态电压差足够小的条件下的安全切换操作。为此,在UPS电源系统控制中引入了 “锁相同步”环节。

为防止静态开关或逆变器因环流过大而烧毁,在大型APCUPS电源中都设置了专门的同步锁相环节,以保证同步切换的需要。在大功率UPS中,同步锁相是保证UPS在交流旁路电源和逆变器电源之间正常切换的基本条件,而静态开关为正常切换提供了硬件基础。在同步的条件下,正确控制静态开关的导通和关断成为UPS静态旁路控制技术的核心。由静态开关的基本原理可知:静态开关1和2必须也总是处于互锁的状态。也就是说静态开关1和2是互为闭锁的。设计中,两组静态开关中的快速晶闸管采用高可靠性的互锁电路来控制。根据晶闸管导通和关断的基本原理,其触发控制有多种方法:可采用微机产生触发脉冲来控制,也可采用快速继电器控制。前者增加了CPU的软件开销,且易受外界强磁场的干扰;后者增加了一定的硬件成本,但具有控制可靠、简单方便的特点。本设计中,利用静态开关是一对晶闸管反并联的特点,控制上采用了—种快速继电器控制的方法。其电路接法如图2所示。

在静态旁路电路中,直接利用交流市电电源电压作为晶闸管的正向导通和反向关断电压。将反并联的两快速晶闸管的门极通过继电器的触点连接起来。静态开关的这种控制方法的原理可通过图3来解释。其中Al, A2为反并联晶闸管的阳极,KI, K2为阴极,G1和G2为门极。当连接两门极的继电器的触点闭合后,在交流市电的正半周期内,晶闸管1导通,在交流市电的负半周期内,晶闸管2导通,这样在交流市电的整个周期内,市电均能通过静态开关向负载供电。在上图中,只画出了一相的电路示意图。

在线式UPS中,逆变器在线工作,旁路为后备,因此接在旁路静态开关1上的为继电器的常开接点,接在逆变器静态开关2上的为继电器的常闭接点。当从逆变器供电同步切换至后备旁路时,静态开关1的控制继电器的常开接点闭合,静态开关1的快速晶闸管导通,此时出现旁路电源和逆变器同时向负载供电的情况。随后断开控制静态开关2的继电器的常闭接点,在继电器接点断开后,静态开关2关断,负载由市电交流旁路电源供电,完成从逆变在线供电向后备供电的切换。从后备旁路向逆变器供电切换时与上述情况相反,闭合控制静态开关2的继电器的接点,静态开关2导通,随后断开控制静态开关1的继电器的接点,在继电器接断开后,静态开关1关断,负载由逆变器供电,完成切换。

静态开关的控制技术中,主要有两个问题:

(1)关于晶闸管导通时间,可由公式计算:t∞=t(0上升至10%峰值时间) = [arcsin(0.1)/360×20ms=102us

(2)关于触发问题。根据快速晶闸管的内部结构原理,两个快速晶闸管反并联连接起来后,将它们的门极与快速继电器的接点和一个限流电阻接在一起。当快速继电器的接点由闭合变为断开或者由断开变为闭合,可使静态开关关断或导通。

UPS静态旁路主电路

由上可得本UPS设计中静态旁路的主电路,如图所示。

其中,KK2,KK3为空气开关,静态开关采用三组反并联的晶闸管组成。图中由R1〜3、C1〜3分别组成的RC吸收电路是对晶闸管进行过压保护的。图中没有画出每组晶闸管的控制电路。

快速晶闸管的参数选择:耐压,额定电流(根据UPS的容量并考虑裕量)。其阻容吸收保护电路中电阻、电容的参数可根据经验公式选取。对于逆变器的输出同样采用了静态开关技术。其原理、电路及控制与旁路静态开关相同。

apcups电源维修旁路

当ups电源出现故障需要维修或者定期检修时,需要维修旁路。维修旁路电源通常取自市电。电路如下图所示

图中只画出了一相电路。图中KK4、KK5为空气开关,KRD为快速熔断器。当需要切换至维修旁路时,先合上KK4,然后断开UPS旁路系统中的空气开关KK5。这样就可以对逆变器支路和静态旁路支路进行检修或维修。


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