不间断的电源(UPS)是一种电子设备,当主供应或输入电源失败时,将电源提供给负载。它不仅充当电器的紧急电源,而且还可以解决常见的电源问题。任何UPS都有一个电源储存元件,该元件将能量以化学能的形式存储在电池中。
就像能量以运动形式存储在飞轮中一样。这就是为什么这些设备也称为电池备用或飞轮备份的原因。UPS不仅提供应急功率,而且还有助于解决与功率相关的问题,例如提供防止输入功率中断,防止过电压,输出电压调节和稳定功能的保护。
不同的UPS模型具有不同的能力为负载提供动力的能力。能力的程度完全取决于UPS内部存储多少电荷。例如,为计算机设计的UPS只能在电源关闭时只能在一小时的时间内提供电源,但是该时间足以节省用户可以正常工作的文件。因此,出于明显的原因,考虑其应用时,任何UPS的充电存储能力都是确定的。

图1:UPS的典型图像
UPS和正常紧急电源的差异
传统的紧急电源使用带有传输开关的发电机在主电源失败时为设备供电。它可以提供数小时的电源,直到发电机中的燃料可用。但是,这有一个缺点。主电源故障期间连接到发电机体验中断的设备。这种中断发生是因为发电机必须打开恢复功率。根据开关机构的类型,负载的电源会中断。
与紧急电源相反,不间断的电源(UPS)可以通过使用电池或飞轮会在不中断的情况下为设备提供连续的电源。但是,UPS为设备提供电源的持续时间取决于使用的电池或飞轮的大小和数量。
UPS的使用在电器无法提供任何中断的应用中非常受欢迎。像医疗保健部门,医疗设备,IT办公室,电信,数据中心,银行以及在其他许多地方需要不间断的电源。
在本系列中,将设计一个UPS,它将以电池为存储元件,并在电源故障时为设备提供电源。UPS的设计可以分为不同的部分,在UPS的功能中具有独特的作用(如下图所示)。

图2:显示UPS电路的构件的图像
本系列中设计的UPS将具有四个电路部分,如下 -
1.充电器 -
首先,将设计充电器,以充电在这种情况下是电池的储能元件。由于有两种类型的电池类型:锂离子电池和铅酸电池,每个电池都会有两种不同的充电器电路。这些电池充电器的设计如下 -
i)铅酸电池充电器
在此电池充电器电路中,将设计一个恒定的电压铅酸电池充电器,即充电器将提供等于电池的最大电压额定值的恒定电压,并且充电电流有限。因此,在此充电器中,电池将永远不会超过预设充电电流。
下面是电池的充电算法,显示电池电流和电压。

图3:图显示了铅酸电池的恒定电压充电
ii)锂离子电池充电器
与铅酸电池不同,锂离子电池需要通过恒定的电流恒定电压方法充电。设计锂离子电池充电器将需要一个智能电路,该电路将感觉电流和电池电压。最初,充电电路将处于恒定电流模式,并将为电池提供恒定电流。当电池电压达到预设电压或最大额定电压时,充电器将切换为恒定电压模式。这种模式下的电流将通过保持恒定电压而慢慢降低。
下图显示了锂离子电池的充电算法,该算法清楚地了解了不同的充电阶段。
图4:图显示了液压电池的恒定电压和恒定电流充电
众所周知,家用电器以交流电压运行。但是用作电荷存储元件的电池提供了直流电源。因此,要将此直流信号转换为交流信号,需要使用逆变器。
逆变器是一种电子设备,可以将DC转换为AC。对于设计UPS,可以有两种类型的逆变器,它们根据AC波形的形状进行分类 -
i)方波逆变器 -
转换DC信号后,该逆变器在输出处产生方波。方波逆变器的设计价格便宜,但只能用于低灵敏设备,否则它们会产生嗡嗡声或噪音。

图5:显示方波逆变器的输出波形的图形
ii)修改的正弦波逆变器
在这种类型的逆变器中,产生了两个具有90度相位差的平方波,并叠加以获得几乎正弦波形。最终的波形并不完全正弦,但它是三级波形,包括零电压水平,峰值正电压和峰值负电压。修改的正弦波在更改极性之前暂停(设置为零伏特)(如图所示数字以下)。

图6:显示修饰正弦波逆变器的输出波形
3)切换控制
除了充电器和逆变器之外,UPS还需要一个开关机制,它可以通过电源故障时将电器的电源从主电源切换到逆变器。UPS可以有两种类型的开关控件,如下 -
i)离线切换/待机UPS
在这种类型的UPS系统中,负载直接连接到电源交流电源。每当AC电压电压下降或关闭电源时,通过开关机构,电池也会切换到逆变器。然后,该逆变器将AC提供给负载,当功率恢复时,负载再次切换回电源。可以从下图 - 可以以图形方式理解这种切换机制 -

图7:离线UPS的框图
ii)在线切换/双转换UPS
在此设计中,负载始终连接到逆变器。逆变器从电池通过电池充电器连续充电的电池获得直流电源。因此,当电源电源失败时,电池中积累的电荷会在不中断的情况下为设备提供连续的电源。

图8:在线UPS的框图
4)BMS(电池管理系统)
在任何UPS中,都需要电池管理系统(BMS),该系统可以监视电池的充电状态和放电状态,从而充电电流及其电压。它还可以保护电池免受过度充电和排放。因此,为了保护和增加电池的寿命,应将BMS用于UPS设计。因此,将设计BMS以连续监视电池状态。
在对UPS的每个构建块进行简要介绍之后,该为每个块设计一个电子电路了。跳到下一个教程,“设计铅酸电池充电器”,以在第一个UPS电路部分中弄脏手。
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