UPS架构以及原理

张椿涛

一> 整体介绍

产品介绍：

3C3系列产品是具有高效率、高性能的双转换存在线，三相输入，三相输出的UPS.

3C3系列产品几乎可以完全解决所有电源问题，如断电、市电高低压、电压波动、谐波失

真等电源问题.

注：以下均以3C3-30KS-ISO为例:

3C3 UPS各组成部分以及功能表 PCB名称 实现功能 1． 整流：将输入交流市电整流成为直流电供升压以及充电器使用 2． 升压：将整流后的直流电压升高到逆变所需的BUS电压 3． 逆变：将稳定的直流BUS电压转换成用户需要的稳定的交流电 4． 20KS UPS无STS, 功率板还负责STS所有功能 1．产生各部分PCB工作所需的工作电源（+24V，+15V，+12V， HFPW+，+5V，-15V） 2．上电给±BUS电容预充电以及BUS电压侦测 3．CU4 与PSDR之间控制、侦测信号转换与传递 1.产生自身工作所需要的+24V电压 2.在UPS发生异常时为负载提供应急通道,SCR开通. 3.负责输入市电、输出电压侦测. 4.将CT侦测到的输出电流信号转换成电压信号给CU4. 5.20KS无STS板,此部分电路在功率板上. 1.显示CU4侦测到的关于UPS的信息. CU4LCD面板 2.负责通讯板与CU4通讯信号转换. CU4LCD通讯板 3.控制风扇转速(40KS,80KS无此功能) 4.20KS LCD还有控制输出RELAY的功能. 1.将三相整流后的±REC电压转换为电池充电电压432V. 2.电池低压、高压、反接、短路、未接等多种保护功能. UPS控制板,负责控制UPS各部分之间协调工作. 负责控制PSDR中的升压电路工作,无PFC CARD的话PSDR将无升压功能,BUS电压接近市电电压峰值. 1. 负责侦测输出电流的大小,侦测到的信号输出到STS. 2. 20KS无CT,此部分在功率板上. 在升压部分电路发生异常时对PSDR进行保护,通常REC FUSE熔断时表示功率板上升压电路有异常,UPS会42FAULT. 在逆变输出部分电路发生异常时对PSDR进行保护,通常BUS FUSE熔断时表示功率板上逆变输出电路有异常,UPS会46FAULT. １

PSDR CCB STS LCD CHGR CU4 PFC CARD CT REC FUSE板 BUS FUSE板

面板 通讯板 滤波板 MOV板 隔离变压器 输入电感

UPS整体架构介绍：

1.负责显示LCD发出的关于UPS各部分参数. 2. ENTER确认键功能 提供多种通讯断口RS232、RS485、PPVIS、AS400 滤除输入输出电压中的差模、共模干扰 滤除输入市电中的尖峰高压 输入市电与UPS电气隔离 防止输入电流突变 3C3 UPS架构示意图

功率板PSDR=整流器+升压电路+逆变器

UPS主要功能是提供稳定的电源，所以按照供电渠道来划分UPS为维护模式、旁路模式、市电模式、电池模式四个部分，分别对应四种工作模式：

A.市电模式:

市电模式是UPS正常工作的状态,UPS将输入的市电经过整流(AC->DC),升压(DC->DC),

逆变(DC->AC) 后转变成稳定可靠的电源输出,工作示意流程图如下:

说明：

供电回路

充电回路

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UPS市电模式工作示意图

市电隔离变压器输入EMI  整流电路(AC->DC)升压电路(DC->DC) 逆变电路(DC->AC)输出继电器输出EMI输出端子负载 市电向负载供电的同时,经过整流器后通过充电器给电池充电

B．电池模式：

UPS电池模式工作示意图

电池 电池SCR升压电路(DC->DC)逆变电路(DC->AC) 输出继电器输出EMI输出端子负载

电池模式是UPS在市电发生异常(UPS自身工作正常)时的供电状态

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C.旁路模式

UPS旁路模式工作示意图

市电隔离变压器输入EMI STS静态开关输出EMI输出端子负载 市电通过STS向负载供电的同时,经过整流器整流后通过充电器给电池充电 旁路模式是UPS自身发生异常（市电电压正常）时的供电状态

D．维护模式

市电隔离变压器维护开关负载

维护模式是对UPS进行维修时所选择的工作状态,此时负载由市电直接供电,可以对UPS进行维修测试动作.

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二> 各部分电路工作原理介绍:

1. 功率板(单相)：

功率板（PSDR）是UPS主要组成部分，主要担负UPS电源转换功能

主要由整流电路、升压电路、逆变电路三部分组成：

充电输入电压

功率板示意图

2.1 进出功率板接线：

“两输入，两输出，一充一放，外加控制”

a.>市电输入: 火线(L): 输入EMI板I/P-L  功率板I/P-L

零线(N): 输入EMI板I/P-N  功率板I/P-N

“两输入”：

b>电池输入: 电池正极(BAT+): 充电板BAT+  功率板BAT+

电池负极(BAT-): 充电板BAT-  功率板BAT-

a>逆变电压输出: 火线(L): 功率板O/P-L 输出EMI板O/P-L

零线(N): 功率板O/P-N  BUS电容N “两输出”: b>整流电压输出: 整流正(REC+): 功率板REC+ 充电板REC+

整流负(BAT-): 功率板BAT-  充电板BAT-

a>±BUS电容充电: +BUS充电: 功率板+BUS  BUS电容正极

-BUS充电: 功率板-BUS  BUS电容负极

“一充一放”:

b>±BUS电容放电: +BUS放电: BUS电容正极功率板+BUS-INV

-BUS放电: BUS电容负极功率板-BUS-INV

“外加控制”: CCB 功率板排线: 排线中包括功率板正常工作所需的控制电源及控制信号.

1.2 功率板各组成部分工作原理介绍:

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1.2.1 整流器(ACDC):

作用: 将市电输入的交流电变换成直流电,即ACDC

整流工作示意图

整流电路示意图

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1.2.2 升压BOOST电路(DCDC):

作用：将整流后的直流电压（±REC电压）通过升压电路变化成UPS逆变器所需

要的稳定的BUS电压. 升压电路由PFC CARD控制.

升压BOOST工作示意图

BOOST工作电路原理示意图

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1.2.3逆变电路:

作用: 将稳定的±BUS电压转变成幅值、频率稳定的交流电压

逆变器工作示意图

逆变器电路原理示意图

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2. STS (Static Transfer Switch )静态转换开关

作用： 1. 在UPS发生异常时为负载提供供电通道.

2. 输入、输出电压以及负载侦测.

STS静态转换开关工作示意图

STS接线介绍：“三进三出一N线，外加控制与侦测”

“三进” ： 市电三相输入火线（LA LB LC）, 输入EMI 板 STS输入

“三出” : 旁路三相输出火线, （LA LB LC）, STS输出 输出EMI板

“一N线” : 输入、输出电压参考线, BUS电容N线 STS N线 “控制” : CU4  STS 排线, 传递信号和开关控制信号 “侦测” : CT线圈输出电流侦测信号线. 注: 1. STS自身还有一温度侦测线,位置如实物所示 2.STS自身工作所需要的电源由自身产生(AB线电压) TX INPUT A +24V电源供STS自身使用 INPUT B

所以输入AB间阻抗大约有120Ω

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3.充电器:

作用: 输入市电市电正常时,UPS处于旁路或市电模式下, 将整流器输出电压(三

相)±REC电压转换成稳定的432V直流电压输出供电池充电使用.

充电板接线介绍：“一进一出，外加电源与通讯”

“一进”： 三相整流电压输入： 红线：三相整流后REC+相互连接后 充电板REC+

黑线: REC-即BAT-, 各功率板(BAT-)  充电板BAT-

“一出”: 电池输入: 红线: 充电板BAT+  端子排BAT+

黑线: 充电板BAT-  端子排BAT-

“电源”: 充电板工作电源: 红黑两PIN 信号线: CCB上CN1  充电板上CN03(CN05) “通讯”: 与CU4通讯: 3线排线: 充电板CN01  CU4 2线排线: 充电板CN02  CU4

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4. CCB (Common Control Board):

作用：1. 产生所有PCB(STS除外)所需要的低压直流电源.

2. CU4到功率板控制信号转换, 即 CU4控制命令  CCB  功率板. 3. 上电初期给BUS电容预充电.

CCB FLY BACK 电路架构

注:HFPW+ 是频率为38KHZ的高频交流电源,供LCD CHGR PSDR使用.

CCB接线介绍: +BUS: CCB上+BUS  +BUS电容

-BUS: CCB上-BUS  -BUS电容

N : CCB上N  BUS电容N

A. 电力线: 市电: CCB上I/P-L STS A相市电输入

电池: CCB上+BAT 充电板 BAT+ CCB上-BAT 充电板 BAT- 保护: CCB上V.DIS 、D.DIS REC FUSE 上 V.DIS 、D.DIS

HFPW+电源输出: CCB上 CN01  LCD CN103 CN02  CHGR CN03 开机信号线: CCB上CN04  LCD CN204 面板确认键: CCB 上 CN03  液晶面板 B.信号线: 保护信号线: CN300  REC FUSE 板

+24V输出RELAY驱动线: CCB上CN206  输出RELAY 风扇转速控制: CCB上CN208  LCD CN106 风扇电源: CCB上 CN200 CN205

CCB与CU4信号线: CCB 上CNCU4 CU4 (64PIN) CCB与PSDR信号线: CCB上 CNL1R PSDR

CNL2S PSDR

CNL3T PSDR 注意: 20~40KS CCB上还有一条CN7 CN8 短路线

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5.LCD:

作用: 1. 显示UPS相关工作参数

2. 负责UPS INTERFACE通讯板与内部通讯. 3. 风扇转速控制.

LCD接线介绍:

与CU4通讯线 : LCD 40PIN排线CN101  CU4

通讯线 与液晶面板通讯线 : LCD 30PIN排线CN202 液晶面板

与INTERFACE通讯线 : LCD 30PIN排线 CN102  通讯板

LCD 电源输入线 : LCD CN103  CCB CN01 UPS开机信号线 : LCD CN204 CCB CN04 风扇转速控制信号线 : LCD CN106 CCB CN208

6. CU4: 3C3UPS的主控制器.负责所有电路工作所需的控制信号.

7. PFC: PFC CARD 插于各相PSDR(CN21)上,主要功能是控制升压电路工

作, 将±REC  ±BUS电压.

8. INTERFACE: 包括 RS-232、PPVIS、 RS485、AS400通讯端口.

9. EMI 、MOV : 负责输入、输出电压的滤波以及吸收输入市电的浪涌.

附录Ⅰ：UPS整机架构

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Ⅱ；电气规格： 型号 额定容量 输入 电压 频率 相线 电池 输出 型式 备用时间 电压 频率 相线 频率 稳定度 瞬时反应 波形失真 超载能力 电池模式 市电模式 3C3-30KS 30KVA/24KW 285VAC5minutes 150% >30seconds 效率 转换 时间 噪音 市电模式 电池模式 市电转电池 旁路转逆变 逆变转旁路 1公尺前 (正前方) 显示器 LCD >92% （Full R load） 0ms 0ms 0ms 小于 60dBA 中文 UPS 状态及操作导引指示 输入电压，输出电压，电流，频率，电池电压及充放电电流值，故障显示，故障，警告 UPS 运转状态 BUZZER 声响及灯号闪烁双重显示 RS-232，AS400，RS485，PPVIS 0°C 到 40°C 10% 到 90% (non-condensing) 240kg 310kg 460*785*1235mm Inverter transfer to bypass Bat mode overload fault Inverter transfer to bypass Bat mode overload fault >88% （Full R load, no including CHGR） LED 警告装置 通讯接口 操作 环境 重量 温度 湿度 净重 毛重 外观尺寸 W*D*H(cm) (主机)

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