多功能直流UPS的設計
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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(jù)，給出了設計結果，還附錄了性能實驗數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)通訊處理系統(tǒng)、航空管理和醫(yī)用診斷系統(tǒng)等精密儀器對供電系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(yōu)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(jù)，并給出了一臺實用的直流UPS的設計結果。附錄的實驗數(shù)據(jù)證明該電源性能優(yōu)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(wǎng)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(jīng)充電器為電池組B充電；當電網(wǎng)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?？刂崎_關K1只有在逆變器故障且電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)電壓異常時，其能流變?yōu)椋弘姵亟MB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(tài)，而后備式UPS的逆變器僅僅是當電網(wǎng)電壓異常時才起動（后備工作狀態(tài)）。
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(xù)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(xù)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(guī)充電電流（A） | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 工作溫度(℃) | 設置電壓(V) | 允許范圍(V) | 溫度系數(shù)(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(chǎn)廠家數(shù)據(jù)有所不同，設計時以產(chǎn)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(xù)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(xiàn)DCUPS最簡單的方法是電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流濾波穩(wěn)壓后與蓄電池并聯(lián)。其結構如圖2所示。
在輸入正常時，電池處于浮充狀態(tài)（R為充電限流電阻）；當外電網(wǎng)斷電后，由電池經(jīng)導流二極管向負載供電。
該方案對于直流負載的顯著優(yōu)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(tài)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(wěn)定——逐漸下降，往往需要二次穩(wěn)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(fā)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(xù)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(guī)的密封鉛酸蓄電池的充電上限電壓和充電電流數(shù)據(jù)。
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(shù)據(jù)。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(wǎng)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(xù)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(xù)工作時間越短。表3給出了不同持續(xù)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(huán)境溫度低于＋10℃時，表現(xiàn)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(huán)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。
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