多功能直流UPS的設計
加入技術交流群
摘要：概述了UPS電源和鉛酸蓄電池的原理及性能，并結合實例論述了直流UPS電源的設計過程和設計依據，給出了設計結果，還附錄了性能實驗數據，具有工程實用價值。
關鍵詞：UPS蓄電池恒流恒壓充電DC/DC變換
1引言
由于計算機、程控交換機、數據通訊處理系統、航空管理和醫用診斷系統等精密儀器對供電系統的不間斷和可靠性的要求，使得UPS得到了廣泛的應用和迅速的發展。
使用UPS有利于改善用電質量，保護用電設備。對于通訊系統等直流用電負載而言，從供電的可靠性、安全性及運行效率考慮，直流UPS較之交流UPS具有更為突出的優點。
本文從UPS和鉛酸蓄電池的原理及性能入手，詳細論述了直流UPS的設計過程，著重闡明了恒流恒壓充電器的設計依據，并給出了一臺實用的直流UPS的設計結果。附錄的實驗數據證明該電源性能優良，性價比高，已具有工程實用價值。
2UPS概述
UPS是不間斷電源的簡稱。按其輸出電壓的波形可分為交流式(ACUPS)和直流式(DCUPS)。
2.1交流UPS
交流UPS按其逆變器的工作方式又分為在線式（Online）和后備式（Standby）兩種。其結構框圖如圖1所示。
在線式UPS的工作原理是：當電網Uin正常供電時，Uin黿笛拐流鑫妊供瞿姹淦鰻K2（K2閉合，K1斷開）Uout,同時經充電器為電池組B充電；當電網輸入異常（失壓或超出正常范圍）時,K0斷開，由電池組B齙家二極管瞿姹淦鰻K2Uout。控制開關K1只有在逆變器故障且電網供電正常時才閉合（K2斷開），僅僅起旁路作用。
后備式UPS的能流是：在電網供電正常時，UinK1（K2斷開）Uout，同時Uin黿笛拐流齔淶縉鰻齙緋刈B（逆變器不工作）；當電網電壓異常時，其能流變為：電池組B瞿姹淦鰻K2（K1斷開）Uout。
由能流可以看出：在線式UPS的逆變器始終處于在線工作狀態，而后備式UPS的逆變器僅僅是當電網電壓異常時才起動（后備工作狀態）。
無論是在線式還是后備式UPS，其輸出Uout都是交流電壓。
圖1交流UPS組成方框
表1充電上限電壓和充電電流
| 需求工作時間（min) | 6 | 10 | 20 | 30 | 60 | 120 | 180 | 300 | 600 | 1200 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 放電電流（A） | 0.8Ah～24Ah | 3.50C | 2.75C | 1.67C | 1.00C | 0.60C | 0.33C | 0.27C | 0.17C | 0.09C | 0.05C |
| 30Ah～200Ah | 2.70C | 2.08C | 1.32C | 1.00C | 0.65C | 0.35C | 0.28C | 0.18C | 0.10C | 0.05C | |
| 有效容量（％） | 0.8Ah～24Ah | 35 | 46 | 56 | 50 | 60 | 66 | 81 | 85 | 93 | 100 |
| 30Ah～200Ah | 27 | 35 | 44 | 50 | 65 | 70 | 84 | 90 | 100 | 108 | |
表3持續工作時間與允許的放電電流及有效容量
| 放電電流I0（A） | 0.05C | 0.05C～0.10C | 0.10C～0.20C | 0.20C～0.40C | 0.40C～0.50C | 0.50C～0.60C | 0.60C～1.00C | >1.00C | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 下限電壓（V） | 0.8～24Ah | 1.80 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.50 | 1.30 |
| 30～200Ah | 1.90 | 1.80 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.60 | 1.50 | 1.50 | |
表3持續工作時間與允許的放電電流及有效容量
| 放電電流I0（A） | 0.05C | 0.05C～0.10C | 0.10C～0.20C | 0.20C～0.40C | 0.40C～0.50C | 0.50C～0.60C | 0.60C～1.00C | >1.00C | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 下限電壓（V） | 0.8～24Ah | 1.80 | 1.75 | 1.75 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.50 | 1.30 |
| 30～200Ah | 1.90 | 1.80 | 1.75 | 1.70 | 1.60 | 1.60 | 1.50 | 1.50 | |
表2放電電流和放電下限電壓
| 蓄電池的容量C | 工作方式 | 充電上限電壓（V/cell) | 最大充電電流（A） | 常規充電電流（A） | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 工作溫度(℃) | 設置電壓(V) | 允許范圍(V) | 溫度系數(mV/℃) | ||||
| 0.8Ah～24Ah | 周期服務 | 20 | 2.45 | 2.45～2.50 | －5.0 | 0.3C | 0.1C |
| 后備 | 20 | 2.275 | 2.25～2.30 | －3.3 | |||
| 30Ah～200Ah | 周期服務 | 25 | 2.45 | 2.45～2.50 | －5.0 | 0.3C | 0.1C |
| 后備 | 25 | 2.25 | 2.23～2.28 | －3.3 | |||
注：各生產廠家數據有所不同，設計時以產品手冊的技術指標為準。
2.2直流UPS
和交流UPS一樣，直流UPS的關鍵是輸入電壓中斷后的續能問題，但DCUPS是將變換后的直流電壓直接送給用電負載。實現DCUPS最簡單的方法是電網電壓經過整流濾波穩壓后與蓄電池并聯。其結構如圖2所示。
在輸入正常時，電池處于浮充狀態（R為充電限流電阻）；當外電網斷電后，由電池經導流二極管向負載供電。
該方案對于直流負載的顯著優點是，不需要再二次逆變，效率高，可靠性強，成本低，并且蓄電池對負載的動態特性有改善作用。但不足之處是，當電池向負載供電時，電池電平不穩定——逐漸下降，往往需要二次穩壓。
3蓄電池的性能與使用
蓄電池是UPS的心臟，故了解蓄電池的性能及使用方法是設計UPS的基礎。
目前在UPS中廣泛采用的是密封免維護鉛酸蓄電池，性能較好的有美國的德克、GNB，德國的陽光，英國的霍克，日本的湯淺等品牌。
3.1蓄電池的充電
恒流充電防止了初始充電電流過大使電極發熱而可能引起的電池爆裂，并使充電時間大大縮短。當電池充滿后，仍繼續恒流充電將造成電池過充，導致電池過熱。所以當恒流充電充到限定電壓時自動切換為恒壓充電，就控制了這個過程，避免了電池的損壞。所以恒流恒壓充電對蓄電池是比較合適的。
若采用大電流快速充電，雖可以縮短充電時間，提高充電效率，但必須嚴格控制過充并解決去極化的問題，從而使充電電路變得復雜。
另外，溫度對充電也有影響，電池的充電上限電壓隨溫度的升高而降低，因此充電器的限制電壓應有負溫度補償。
表1給出了常規的密封鉛酸蓄電池的充電上限電壓和充電電流數據。
表中C為蓄電池的標稱容量，充電上限電壓為一個單體電池（2V）的數據。如標稱12V/7Ah的電池由6個單體組成，其充電上限電壓為2.275V×6=13.65V，恒流充電電流為0.1C=0.7A。
3.2蓄電池的放電
當電網斷電時，UPS中的蓄電池向負載放電。隨著能量的消耗，其端電壓也隨之而下降。
圖2直流UPS框圖
圖3DCUPS總體方案框圖
蓄電池允許的放電下限電壓與電池的標稱容量及放電電流有關。表2給出了放電電流和放電下限電壓的關系。
電池的容量一定時，持續工作時間取決于放電電流，且電池能放出的有效容量也大大地依賴于放電電流——放電電流越大，有效容量越小，持續工作時間越短。表3給出了不同持續工作時間所允許的放電電流和對應的有效容量。
電池的有效容量還受放電期間溫度的影響，溫度越低，容量越小，特別是當環境溫度低于＋10℃時，表現更為明顯。
所以在選擇電池的標稱容量時，一定要考慮最大負載電流、環境溫度所對應的有效容量以及放電深度（放電量與總容量之比），以便計算有效維持時間，并設置合理的下限保護電壓。
評論