市电 整流器 逆变器 负载 蓄电池 图2-1 UPS基本组成框图
在此基本组成电路中，当市电发生断电或异常时，关键在于使用蓄电池放电，以蓄电池代替整流器，向逆变器提供直流输入从而保证负载供电的不间断和质量。如果深入地扩展分析，要保证负载的不间断供电和负载的供电质量，就必须增强UPS电源装置的可靠性，因为只有电源装置的可靠性提高了，才能使负载供电不间断和质量得到充分保证，这就要从UPS电源装置的结构和形式来考虑其设计方案。下面在分析不间断供电的原理的基础上，提出本课题的整体设计方案。
2.1 UPS电源不间断供电的原理 2.1.1 负载间断供电的原因
造成负载间断供电的原因有很多，概括起来，主要有:
1）交流输入电源（市电）突然发生停电。造成这种突然停电的原因较多，如：用户发生故障或事故，造成电源跳闸；雷击造成短路而跳闸，或者由于雷击引起输电线断裂；鸟害引起断裂而跳闸；台风或龙卷风将输电线刮断等。
2）交流输入电源发生瞬间停电。 3）电源装置发生故障而中断供电。
因此，解决负载不间断供电须从以上三方面主要原因入手。
2.1.2 不间断供电的原理
从UPS基本组成原理图2-1可看出，
(1)在交流输入电源正常的情况下，整流器一方面为逆变器提供直流输入电压，同时另一方面向蓄电池充电，使蓄电池储存能量；一旦交流输入电压发生异常或断电、或者整流器发生故障时，整流器就无直流输出，这时蓄电池自动代替整流器向逆变器提供直流输入电压，逆变器仍能正常
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工作。当市电恢复正常或者整流器故障排除后，恢复整流器供电，这样负载得到连续供电，不会产生间断供电的现象。
(2)当逆变器发生故障时，很明显，图2-1所示结构的UPS就不能实现负载的不间断供电。解决的办法有两个：一是提供逆变器的备用单元；二是提供静态旁路辅助电源。具体来说:
a.如果有逆变器的冗余备用单元，当逆变器故障时，通过快速开关立即切换至备用单元，保证负载的不间断供电，这时负载得到的仍是稳压稳频的交流电；b.如果有静态旁路辅助电源(或称静态旁路电源)，当逆变器故障时，通过静态开关迅速切换至静态旁路电源，向负载供电，不过，这时负载得到的是市电，供电质量比较差，无稳压稳频性能，但保证了负载不间断供电。一旦逆变器故障排除，即可恢复运行。
(3)如果市电交流输入不正常的同时，逆变器又发生故障，这时要保证负载的不间断供电，可采用既有逆变器备用单元，又有静态旁路电源的设计方案。当交流输入恢复正常或者逆变器故障排除，通过静态旁路电源向负载供电(如果市电输入正常的话)；或者通过逆变器向负载供电(如果逆变器故障排除的话)。这种方案可保证负载的供电不间断。
(4)电源装置根据实际情况需要定期检修，这时必须断开逆变器和静态旁路，但仍然要保证负载供电的不间断，这时可采用增加维修旁路电源的方案。当电源装置维修时，通过维修旁路开关切换至维修旁路电源，此电源取自市电；一旦维修完毕，即切换至逆变器供电或静态旁路电源供电。
综上所述，不间断供电的原理实质就是从电源装置的组成结构上考虑如何实现负载的不间断供电:采用冗余结构或者其他可靠性设计方案。
本课题根据1.3的设计要求和技术指标，从不间断供电的原理出发，提出下面的整体设计方案。
2.2 系统整体设计原理框图
UPS不间断电源设计的基本原理是将输入的交流电整流转换为直流电，一方面为备用蓄电池充电，另一方面再将其逆变转换为稳压稳频的交流电。设计的基本点有两个：一是UPS输出的稳定性，即输出电压和频率
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都必须保持稳定(在一定的额定精度内)；二是UPS输出的不间断性，即要能实现不间断供电。整个设计紧紧围绕这两个要点进行的：
(1)蓄电池(包括充电器)是电网断电或者电网电压严重畸变时为负载供电的能量来源；
(2)逆变器是UPS输出稳压稳频的交流电的核心组成，也是整个UPS核心，采用冗余备用单元也是为了保证负载供电的不间断；
(3)旁路辅助电源(包括维修旁路电源和静态旁路电源)是为维修、检修UPS，或者逆变器故障的情况下实现不间断供电的辅助电源。
根据以上所述，提出如下设计原理框图(图2-2)：
辅助电源 维修旁路电源 静态旁路电源 静态开关Ⅰ 市电 输入 整流/ 充电器 逆变器1 隔离 变压器 静态开关Ⅱ 负载 蓄电池 逆变器2 图2-2 系统整体设计原理框图
下面以此原理框图从整流器/充电器、逆变器、旁路辅助电源三方面分析本设计方案。
2.3 整流/充电器设计方案
本设计中整流器和充电器合二为一，这主要是从功率大这个因素考虑的。为实现大功率整流和充电的需要，设计中借助于可控整流器件SCR，采用三相全控桥式整流充电电路，从而大大提高了可靠性、降低了造价。控制电路采用16位INTEL96系列的80C196单片机，控制简洁、方便、可靠。 主回路电路示意图见图2-3所示。
如图2-3所示，三相四线380V交流电压经空气开关KK、快速熔断器KRD、整流变压器降压隔离、再经三相全控桥式整流；整流输出经电感L、电容C滤波，LEM霍尔电流传感器，熔断器RD，接触器JQ接至220V蓄电池。微机
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(80C196单片机系统)控制回路由主控、测量、同步、脉冲输出、信号输入、信号输出及电源等部分组成。
图2-3 整流/充电器设计方案
2.4 逆变器设计方案
逆变器的功率单元采用IGBT组成的三相桥式逆变电路；IGBT驱单元采用日本富士公司生产的EXB841驱动芯片组成的驱动电路；逆变控制系统设计采用冗余设计方案： 两套由INTEL公司生产的16位微处理器80C196MC组成的控制系统1#和控制系统2# (两者互为备用)共用一组功率单元及其驱动单元。
如图2-4所示，逆变器的输入来自整流/充电器的直流输出，经三相IGBT全控逆变桥，在逆变控制系统SPWM控制方式下产生SPWM脉冲波输出，再经特殊设计的隔离变压器(原边为三角形接法，副边为星形接法)隔离、滤波后产生稳压稳频的正弦交流电输出。其中K2为快速晶闸管组成的静态开关，是为实现负载不间断供电而设置的转换开关。
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图2-4 逆变器设计方案
2.5 旁路电源设计方案
旁路电源是UPS不间断电源不可缺少的部分，它分为静态旁路电源和维修旁路电源。静态旁路是指利用静态开关(一对反并联的快速晶闸管组成)来实现逆变器供电和旁路供电之间的同步切换。因为快速继电器的动作时间至少为几毫秒，不能满足不间断供电的要求，而静态开关的导通和关断时间仅为数十微秒，因此可实现负载的不间断供电。维修旁路电源是为电源装置检修、维修时的备用电源。旁路电源一般取自市电电网。
本UPS旁路系统设计方案如图2-5所示，图中只画出了一相的电路示意图。
图2-5 UPS旁路电源设计方案
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