在通信、金融、交通等诸多领域,UPS发挥着重要作用,为设备的正常运行提供不间断电力保障。然而,在一些特定的情况下,UPS可能需要将设备的供电切换到旁路供电。为了保证设备能够不间断运行,有必要对UPS供电的状态和切换方法进行研究。

　　1 UPS的工作方式与特点

　　UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的电源设备。UPS主要用于为计算机、通信系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应,它能够在市电停电时继续为设备供电。

　　UPS根据工作方式可以分为在线式、互动式和后备式三类。

　　在线式UPS正常工作时,先通过整流器将输入的交流电转换为直流电,再通过逆变器将直流电转换为交流电输出向负载供电,同时通过整流器为电池充电;在市电异常的情况下,电池通过逆变器向负载供电。在电池放电未终止或者具有备用电源的情况下,在线式UPS能够保证为负载不间断供电。工频型在线式UPS具有输出电压精确、输入与输出隔离、输出性能优越、能够调节输出频率、在电池放电终止前能够不间断运行等诸多优点,但是其电路复杂、价格高且效率较低。

　　互动式UPS的逆变器可以双向运行,正常工作时输入的交流电直接向负载供电,并通过反向运行的逆变器为电池充电;在市电异常的情况下,电池通过逆变器向负载供电。互动式UPS具有成本低、结构简单、效率高等优点,但它同时具有输入与输出未隔离、对输入电压变化敏感、不能调整输出频率等缺点。

　　后备式UPS正常工作时输入的交流电直接向负载供电,并通过整流器(充电器)为电池充电;在市电异常的情况下,电池通过逆变器向负载供电。由于后备式UPS正常工作时电池与充电器连接且与逆变器断开,市电出现异常时,其电池会需要一个很短的切换时间来与逆变器连接并与充电器断开，所以它并不是为负载不间断供电。后备式UPS具有成本低、电路简单等优点，但同时也有输入与输出未隔离、具有切换时间、不能调整频率等缺点。

　　现在使用的中大功率UPS绝大多数都是在线式UPS,因为它能够为负载提供质量更好的交流电,并且能够将负载与电网以及电网的谐波有效隔离。相对与互动式和后备式UPS而言,在线式UPS除了成本较高、效率较低外,具有互动式和后备式UPS不具备的诸多优点。而通常情况下,互动式和后备式两种类型只是应用于小功率UPS。本文讨论的同步和切换问题均是针对在线式UPS。

　　2 逆变和旁路输出的同步

　　在线式UPS的逆变输出是市电通过整流器变为直流电,再通过逆变器将直流电变为交流电后输出给负载供电。旁路输出是市电或后备电源输入后不经过整流和逆变两个过程而直接输出给负载供电。UPS在工作的时候,会随时监控逆变输出和旁路输出是否同步。所谓同步,是指逆变输出和旁路输出的交流电具有相同的频率、相位和电压幅值。UPS判断逆变输出和旁路输出是否同步时,比较的是二者的频率和相位。在UPS允许的范围内,逆变器会自动实现对市电的频率跟踪和相位锁定,以实现与市电的同步。而UPS逆变器的输出电压为UPS的设定值,可以通过设置UPS相关参数来调整,而不是跟随市电电压而变化。UPS在逆变器输出和旁路供电之间切换的时候,需要两者的电压相同,如果此时两者的电压相差在一定的范围内,逆变器会自动调整输出电压使逆变器输出的电压与旁路输出的电压一致并实现切换,切换完成后再调整输出电压回到设定值。

　　3 逆变和旁路输出的切换

　　在线式UPS在正常情况下都是由逆变器输出向负载供电。但在某些特殊情况下,逆变器可能会处于异常的工作状态时,例如过载、过温、元器件故障等,UPS会将负载从逆变器输出切换到旁路供电状态。

　　UPS在逆变输出和旁路输出之间的切换分为不间断切换和间断切换。当逆变输出和旁路输出的交流电的频率、相位都相同,且电压幅值相差在一定的范围内(此范围一般由UPS的相关参数来设定或内部设定),则UPS能够实现不间断切换。不间断切换时,负载端不会掉电。当逆变输出不满足不间断切换的要求时,UPS将在逆变输出和旁路输出之间实现间断切换。间断切换时,负载端会有短暂的掉电(掉电时间一般为毫秒级)。如果切换时逆变器输出和旁路市电输出满足不间断切换的条件(频率和相位相同、电压差在一定范围内),则逆变器输出和旁路输出之间的切换是不间断切换。此时,逆变器输出和旁路输出在一段时间内会产生重叠,逆变器和旁路交流电会同时导通向负载供电。两路交流电重叠是有条件的,条件是两路交流电的频率、相位和电压幅值在重叠的过程中必须保持一致,即两路交流电同步。如果两路交流电不同步,则任意一个参数的差别都会造成瞬间的电位差,该电位差将形成两路交流电之间的环流。如果电位差较大,则环流也会较大,将可能会引起逆变器过载,甚至造成元器件损坏。所以,如果逆变器的输出电压与旁路市电的输出电压不相同,则逆变器会根据旁路市电电压的大小调整输出电压使它的输出电压与旁路电压相同,然后逆变器输出和旁路市电输出同时导通向负载供电,此时也不会形成环流,在两路交流电同时输出一段时间后,完成切换过程,切换完成后逆变器将调整输出电压回到正常的输出电压值。

　　UPS在从旁路输出切换到逆变输出时,一般两路输出将会在一定时间内重叠,并且都会选择在过零点时完成切换,所以切换是不间断的。而从逆变输出切换到旁路输出时,一般逆变器会立即关闭,由于静态开关的开启或关闭需要一个响应时间(此响应时间一般为微秒级),而且此时的切换点也不一定是在零点,所以输出电压可能会在很短(几微秒到几毫秒)的时间内有一个电压波动。

　　图1为在线式UPS从旁路输出切换到逆变输出的波形图。可以从图中看到,由于旁路市电的电压比逆变器设定的电压稍高,所以在切换前逆变器升高了输出电压,使输出电压与旁路电压相同或者略高于旁路电压,这样可以防止市电向逆变器反灌电流而对逆变器产生损坏。此时旁路输出和逆变输出均已开启,并同时向负载供电。一段时间后,旁路输出关闭,逆变器调整输出电压下降至UPS的设定值,逆变器正常输出,UPS完成旁路输出到逆变输出的切换。

　　图2为在线式UPS从逆变输出切换到旁路输出的波形图。由于逆变器输出切换到旁路供电通常是因为逆变器的异常引起,所以切换必须立即执行,否则可能会引起严重后果。图中可以看到,旁路市电电压比逆变器输出电压略高,但切换时逆变器立即关闭,而旁路导通需要一个很短的时间,在此时间内靠UPS内部元器件的放电来维持负载的供电;同时,切换不是在过零点完成,所以在逆变器关闭到旁路导通的这段时间内输出电压有一个小的波动。此过程并不存在旁路和逆变输出同时向负载供电的情况。图中两个纵向游标之间可以明显观察到输出电压的波动,这一过程的持续时间为1.0ms。

　　如果切换时逆变器输出和旁路市电输出的频率或者相位不相同,或者两者的电压幅值相差过大、超过了允许的范围,则UPS在逆变器输出和旁路市电输出之间的切换为间断切换。间断切换时应先关闭一路输出,一定时间(一般为毫秒级)以后再启动另一路供电输出,所以向负载供电会中断一定时间。这样能够有效防止因两路输出之间形成环流而造成的对UPS或负载的伤害。

　　图3显示在线式UPS从逆变输出间断切换到旁路输出的波形图。此时,旁路市电电压与逆变输出的电压差大于20%。根据该UPS的设置,此时逆变输出和旁路输出电压相差过大,从逆变输出到旁路输出的切换是通过间断切换来实现的。在切换过程中,有一个短时间的断电过程,此时逆变器和旁路市电均不向负载供电,但由于UPS内部存在电容等储能元件,所以输出电压并不是立即回到零,而是缓慢下降。此时的电压是靠UPS内部的储能元件放电来维持。图中两个纵向游标之间即为断电过程,这一过程的持续时间为3.0ms。

　　4 结束语

　　本文阐述了在线式UPS在逆变器输出状态和旁路供电状态之间的同步和切换问题。逆变器输出状态和旁路供电状态下的同步通常要求频率、相位和电压幅值都相同。在逆变器输出和旁路供电同步的情况下,两者之间的切换可以通过不间断切换的方式来实现,也可以通过间断切换的方式来实现。由于UPS是不间断供电,使用时应尽量保证不间断运行,同时也应尽量保证切换是通过不间断切换来实现的,所以正常运行时应尽量保证逆变器输出和旁路交流电输出的频率、相位相同,电压幅值之差应控制在一个较小的范围内。