UPS電源基礎知識與原理

1、UPS電源基礎知識電源基礎知識與原理與原理根本公式歐姆定律U=IR 電電 壓壓 = = 電電 流流 電電 阻阻伏特伏特= =安培安培 歐姆歐姆正弦電流TImax數(shù)值大小和方向都按正弦波的規(guī)律 周而復始循環(huán)變化的電流i=Imax(sin2ft+)正弦電流的三要素：幅值Imax或有效值Irms Irms= Imax/2頻率f或周期T f=1/T相角三相交流電路對稱的三相交流電路 有效值相等，頻率相等，相位相差120度三相負載星形連接的負載線電壓和相電壓間的關(guān)系是ULL=3ULN=LN以市電電壓為例， 單相電壓220V 相間電壓2201.73=380V假設總負載15KVA對稱負載那么：每相負載15/

2、3=5KVAL1L2L3N380V380V220V基波與諧波n基波：頻率f為50HZ的正弦波；n諧波：頻率為基波的倍數(shù)的正弦波n 2次諧波 f=2*50HZn 3次諧波 f=3*50HZn諧波分為電壓諧波和電流諧波n 電流諧波：主要由非線性負載產(chǎn)生，例如開關(guān)電源；晶閘管、整流器等。n 電流諧波會導致電壓諧波n在基波上疊加諧波=?波形會發(fā)生畸變 基波與諧波無功和高次諧波電流對電網(wǎng)造成的危害：增加電網(wǎng)容量和配置導致電網(wǎng)電壓畸變，嚴重干擾其他用電設備導致變壓器等電氣設備損耗增大，過熱，絕緣老化，降低壽命引起計算機等精細電子設備運行不正常引起異步電機振動加劇，噪聲增大對通訊線路、測量線路產(chǎn)生輻射干擾影

3、響電能計量精度。根本概念 整流：交流AC 直流DC 逆變：交流AC 直流DC串聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)根底知識視在功率視在功率S單位：單位：VA指負載從交流電源吸取電流有效指負載從交流電源吸取電流有效值與電源電壓有效值的代數(shù)乘積。值與電源電壓有效值的代數(shù)乘積。有功功率有功功率P單位：單位：W指負載從交流電源吸取的全部用指負載從交流電源吸取的全部用以做功消耗的功率。以做功消耗的功率。無功功率無功功率Q單位：單位：Var指在交流電源與負載之間來回轉(zhuǎn)換，指在交流電源與負載之間來回轉(zhuǎn)換，但不被負載消耗的那局部功率。但不被負載消耗的那局部功率。功率因數(shù)功率因數(shù)cos指負載從交流電源吸取的有功功率與視在功率的比。S

4、=UICOS=P/S S =P + Q 2 2 2專業(yè)名詞nUPS的容量n 指UPS的額定輸出規(guī)模，通常用VA表示，用以說明UPS額定工作滿載時輸出的視在功率的值。nUPS的輸入功率因數(shù)n 指UPS作為電網(wǎng)的負載，表現(xiàn)出的功率因數(shù)。即UPS從電網(wǎng)吸取的有功功率與視在功率的比。nUPS的輸出功率因數(shù)n 一般指UPS的有功功率與視在功率之比，其大小由負載性質(zhì)決定nUPS的效率n 指UPS輸出的有功功率在全部輸入的有功功率中占的成分，它標志著UPS本身損耗的大小。專業(yè)名詞n輸出電壓穩(wěn)定精度n 指在市電逆變供電時，當輸入電壓在設計范圍內(nèi)變化，以及負載在滿載負荷內(nèi)100%變化時，輸出電壓的變化量與額定值

5、的百分比。負載對此項指標的要求并不高，以計算機類的負載為例，因為機內(nèi)大多是配置了開關(guān)型的直流電源，它容許輸入電壓在20-30%范圍內(nèi)變化。n輸出電壓波形失真度n 所謂波形失真度是指計算機輸入交流電壓中所有高次諧波有效值之和與基波有效值的百分比，數(shù)據(jù)說明，波形失真度小于10%的情況下就可以滿足計算機的要求。n輸出電壓頻率穩(wěn)定精度電池供電時n UPS輸出電壓頻率的變化量與額定頻率50HZ的百分比。專業(yè)名詞n輸出電壓切換時間n 市電掉電時UPS由市電逆變供電或市電穩(wěn)壓直接供電轉(zhuǎn)換為電池逆變供電過程中，UPS的輸出可能出現(xiàn)的短時間的斷電時間。n輸出電流峰值系數(shù)n 輸出電流峰值與電流基波有效值的比值。典

6、型值為34，大小由負載決定。該指標主要用來衡量UPS的輸出能力n輸入電流的諧波成分n 輸入電流的諧波成分形成的輸入功率是無功的，它是造成UPS輸入功率因數(shù)低的一個重要的因數(shù)，可對電網(wǎng)電壓造成嚴重污染。n頻率跟蹤速率n 當市電頻率變化時，逆變器工作頻率跟蹤市電頻率變化響應能力。專業(yè)名詞n電壓浪涌 指一個或多個周期電壓超過額定電壓值的指一個或多個周期電壓超過額定電壓值的110%n電壓尖峰 指在二分之一周至指在二分之一周至100ms期間內(nèi)疊加的電壓脈沖期間內(nèi)疊加的電壓脈沖n噪聲電壓 是指疊加在工頻電壓上的低幅度、頻率范圍很寬的高頻分量是指疊加在工頻電壓上的低幅度、頻率范圍很寬的高頻分量n過壓 指超出

7、電網(wǎng)電壓正常有效值一定百分比的穩(wěn)定電壓指超出電網(wǎng)電壓正常有效值一定百分比的穩(wěn)定電壓n電壓跌落 指一個或多個周期電壓低于指一個或多個周期電壓低于80%85%額定電壓有效值額定電壓有效值n欠壓 指低于正常電壓有效值一定百分比的穩(wěn)定低電壓指低于正常電壓有效值一定百分比的穩(wěn)定低電壓n電源中斷 指超過一個周期的無電壓狀態(tài)指超過一個周期的無電壓狀態(tài)UPS概念變化nUPSn (Uninterruptable Power Supply)n不連續(xù)電源為重要部門電網(wǎng)掉電提供持續(xù)供電保障n50-70%都為電源故障，停電占百分之幾n對于供電質(zhì)量提出了更高的要求nUPSn (Uninterruptable Power

8、System)n產(chǎn)品系統(tǒng)，高可靠、高性能、高度自動化的供電中心n主機運行高效、高可靠、適應性強電網(wǎng)、負載n高可用性和可維護性n很強的網(wǎng)絡保護功能UPS分類按電路主構(gòu)造分類:后備式在線互動式雙變換在線式從后備時間分類:標準機長效機按輸入輸出方式分類:單相輸入/單相輸出三相輸入/單相輸出三相輸入/三相輸出 從技術(shù)構(gòu)造分:工頻機高頻機從輸出容量分類:微型 小于或等于1KVA小型大于1KVA，小于或等于5KVA中型大于5KVA，小于或等于 50KVA大型大于50KVAUPS作用解決公共電網(wǎng)存在的問題： a. 實現(xiàn)雙路電源的不連續(xù)相互切換。 b. 隔離作用：將瞬間連續(xù)、諧波、電壓波 動、頻率波動及電壓噪

9、聲等電網(wǎng)干擾阻 擋在負載之前。 c. 電壓變換/穩(wěn)壓作用。 d. 頻率變換/穩(wěn)頻作用。 e. 提供一定的后備時間。影響UPS運行的幾種市電問題n電涌power surges：指輸出電壓有效值高于額定值110，而且持續(xù)時間達一個或數(shù)個周期。電涌主要是由于在電網(wǎng)上連接的大型電氣設備關(guān)機時，電網(wǎng)因突然卸載而產(chǎn)生的高壓。 n高壓尖脈沖high voltage spikes：指峰值達6000v，持續(xù)時間從萬分之一秒至二分之一周期10ms的電壓。這主要由于雷擊、電弧放電、靜態(tài)放電或大型電氣設備的開關(guān)操作而產(chǎn)生。 n暫態(tài)過電壓switching transients：指峰值電壓高達 20000V，但持續(xù)時間

10、界于百萬分之一秒至萬分之一秒的脈沖電壓。其主要原因及可能造成的破壞類似于高壓尖脈沖，只是在解決方法上會有區(qū)別。n n電壓下陷(power sags：指市電電壓有效值介于額定值的80至85之間的低壓狀態(tài)，并且持續(xù)時間達一個到數(shù)個周期。大型設備開機，大型電動機啟動，或大型電力變壓器接入都可能造成這種問題。 n電線噪聲electrical line noise：系指射頻干擾(RFI)和電磁干擾EFI以及其它各種高頻干擾。馬達的運行、繼電器的動作、馬達控制器的工作、播送發(fā)射、微波輻射、以及電氣風暴等，都會引起線噪聲干擾。n n頻率偏移frequency variation：系指市電頻率的變化超過3Hz

11、以上。這主要由應急發(fā)電機的不穩(wěn)定運行，或由頻率不穩(wěn)定的電源供電所致。 n持續(xù)低電壓brownout指市電電壓有效值低于額定值，并且持續(xù)較長時間。其產(chǎn)生原因包括：大型設備啟動和應用、主電力線切換、啟動大型電動機、線路過載。影響UPS運行的幾種市電現(xiàn)象 電壓低 市電停電 諧波干擾 頻率波動高電壓尖峰 線路噪聲 電壓波動 瞬態(tài)尖峰 電壓浪涌衡量UPS的優(yōu)劣nUPS主機要對電網(wǎng)環(huán)境有較強的適應能力n要注意UPS對各種負載的適應能力n提高電池性能，加強對電池的管理n系統(tǒng)配置的靈活性和冗余功能n智能化和網(wǎng)絡保護能力n對UPS硬件系統(tǒng)的考察UPS原理根本分類n后備式offlinen在線互動式lineinte

12、ractiven雙變換在線式online后備式offline智能調(diào)壓充電器DCACVin輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)后備式特點n效率高達98%nUPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)、諧波電流n市電存在，輸出能力強n存在轉(zhuǎn)換時間4ms左右，滿足一般負載要求n電壓穩(wěn)定精度不高n輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)，受切換電流能力和動作時間限制，功率做不大在線互動式lineinteractive輸入開關(guān)智能調(diào)壓ACDCVin在線互動式特點n效率高達98%nUPS本身不產(chǎn)生附加輸入功率因數(shù)、諧波電流n市電存在，輸出能力強n存在很短的轉(zhuǎn)換時間n電壓穩(wěn)定精度不高n逆變器同時有充電功能，節(jié)省UPS后備附加充電器雙變換在線式onlineVinVout旁

13、路開關(guān)ACACDCDC雙變換在線式特點n提供高質(zhì)量的電源n市電掉電，無任何轉(zhuǎn)換時間nUPS功率余量有限n輸入功率因數(shù)低THD高n整機效率不高UPS的可靠性與可用性nMTBF平均無故障時間nMTTR故障恢復時間nMTBF+MTTR一個服役周期nA可用性nMTBF即為可靠性，提高A，增大MTBF，減小MTTRMTBFMTTRT年lA=MTBF/MTBF+MTTRlA=1/1+MTTR/MTBFlMTBF=?，A=?100%lMTTR=?0，A=?100%可靠性和可用性提高 提高可靠性元器件的選用UPS的拓撲構(gòu)造UPS的制造工藝并機、冗余技術(shù) 提高可用性現(xiàn)場維修時間TRUPS管理響應時間TMUPS技

14、術(shù)效勞系統(tǒng)TS電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式n單機InputOutputStatic BypassBypass Panel電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式n隔離冗余方式 串聯(lián)并機主輸出主機從機維修旁路靜態(tài)旁路靜態(tài)旁路維修旁路主輸入旁輸入主輸入隔離冗余方式 串聯(lián)并機n隔離冗余熱備份即串聯(lián)冗余 UPS熱備份即UPS串聯(lián)冗余，有主機和從機之分。其根本原理是：主機正常時100%地承擔負載電流，故障時由從機提供后備電源。由于備用UPS是在主機旁路處在等待工作狀態(tài)，故稱為熱備份。n缺點： 1主機靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障時，將可能中斷整個系統(tǒng)供電，出現(xiàn)瓶頸故障。 2在市電故障，市電超限時，因為UPS封鎖旁路，所以主、從機無法

15、切換，造成熱備份失效。 3備機長期處于備用狀態(tài)，電池也長期處于浮充狀態(tài)，影響電池壽命。 4目前尚無一個簡單的方式實現(xiàn)互為熱備份。UPS BUPS AUPS A主輸入主輸入UPS A旁路輸入旁路輸入UPS A主輸入主輸入UPS B 旁路輸入旁路輸入負載負載UPS A 輸出輸出UPS B 輸出輸出電源系統(tǒng)實現(xiàn)冗余的幾種方式集中式并聯(lián)負載負載并機柜旁路旁路負載負載UPS A主輸入主輸入并機柜系統(tǒng)旁路并機柜系統(tǒng)旁路UPS B主輸入主輸入集中式并聯(lián)并聯(lián)冗余方式一 并聯(lián)冗余是將多于兩臺同型號、同功率的UPS，通過并機柜、并機模塊或并機板，把輸出端并接而成。 目的是為了共同分擔負載功率，其根本原理是：正常情

16、況下，兩臺UPS均由逆變器輸出，平分負載和電流，當一臺UPS故障時，由剩下的一臺UPS承擔全部負載。 三機并聯(lián)也是常用的一種方式。 例： 60KVA的負載，三臺30KVA并聯(lián)，一臺UPS出現(xiàn)故障，另兩臺UPS仍然可以承擔全部負載，此為N+1并聯(lián)冗余，還有N+2、+3等。 并聯(lián)冗余的本質(zhì)，是UPS均分負載。并聯(lián)冗余方式二n要實現(xiàn)并聯(lián)冗余，必須解決以下技術(shù)問題： 1各UPS逆變器輸出波形保持同相位、同頻率； 2各UPS逆變器輸出電壓一致； 3各UPS必須均分負載； 4UPS故障時能快速脫機。n 并聯(lián)冗余的缺點： 1由于要求功率均分，因而調(diào)試困難。有些品牌UPS要在滿負載運行時調(diào)節(jié)功率均分。另外：輸

17、入、輸出線長、線徑都是影響均分的因素。 2并機柜系統(tǒng)如發(fā)生故障，將中斷整個系統(tǒng)供電瓶頸故障。采用DSP控制技術(shù)，具有高超的冗余并聯(lián)運行技術(shù) 采用DSP技術(shù)并機1并機運行的UPS獨立控制電壓與相位，沒有公共控制局部，不存在瓶頸故障。2并機調(diào)試非常簡單，只須每臺UPS參數(shù)設置完畢，即可投入并聯(lián)運行。3由于采用DSP控制技術(shù)，并機運行的每臺UPS輸出濾形，電壓都非常一致，因此并機環(huán)流很小。 4多機并聯(lián)運行，NET 90系列最多可達8臺并聯(lián)。 5在并聯(lián)系統(tǒng)中任意一臺UPS故障時，DSP控制技術(shù)可以在正弦波的任意一點切換，使故障UPS快速脫機，由其它UPS繼續(xù)不連續(xù)地供電。并聯(lián)冗余技術(shù)的要點說明 n大功

18、率UPS相位跟蹤在3，兩臺UPS并聯(lián)有可能在相位上相差6，造成電壓差，sin6=30V，因而在輸出端會造成很大的環(huán)流，就有可能使逆變器因過載而燒毀。n另外，UPS機內(nèi)各種元件電參數(shù)的微小差異也會導致輸出電壓的差異，同樣可以導致環(huán)流。目前，世界上并機技術(shù)較好的公司可將環(huán)流控制在1- 2%。 UPS與逆變器的比較一與逆變器的比較一n一UPS形式： 1UPS可工作在市電狀態(tài)下由逆變器向負載供電。 2UPS具有旁路切換功能，逆變器故障時可切換到市電狀態(tài)，繼續(xù)保持供電。 3UPS可直接對一定容量的電池組進展充電，并對電池的狀況進展監(jiān)測。 4UPS作為一個完整獨立的電源系統(tǒng)，包括整流器、充電器、逆變器、靜

19、態(tài)旁路開關(guān)、手動維修旁路開關(guān)及電池組。 n二逆變器形式: B 交流輸出 A 靜態(tài)開關(guān) 1正常使用時仍為逆變器形式，靜態(tài)開關(guān)置于A處，在逆變器故障時，靜態(tài)開關(guān)置于B處，由市電或發(fā)電機電力供給至負載。 2此種形式之逆變器，適用于功率大約在5KVA至10KVA之間。UPS與逆變器的比較二與逆變器的比較二n一適用場所的比較 UPS作為一個完整獨立的電源系統(tǒng)，可以適合在任何場所應用，且構(gòu)造緊湊，占地面積小。逆變器適用于具有48V電池組的郵電系統(tǒng)，因為逆變器的工作還需要外配充電器、電池組等外部設備，因此構(gòu)造松散，占地較大，不易布置。n 二輸出功率的比較 因為逆變器是限定的48V電池組供電，由于電池組電壓較

20、低，當輸出功率要求較大時，對功率模塊及生產(chǎn)工藝要求愈高，因此逆變器大功率輸出難以實現(xiàn)，目前生產(chǎn)的逆變器最大輸出的功率約為10KVA左右，而UPS由于自身帶有電池組，電池組的直流電壓可根據(jù)輸出功率的要求自行設置，最高可達幾百伏，因此可以制成單機五、六百千伏安的UPS，近來由于技術(shù)的進一步開展，UPS還可以采用并聯(lián)方式供電，一方面實現(xiàn)更大的功率輸出，另一方面可以作到容量備份，當一臺UPS故障時，不會影響正常的交流輸出，使負載在更加平安、可靠的供電情況下進展工作。 UPS與逆變器的比較三與逆變器的比較三n三對電池組的壽命比較 UPS本身帶有電池管理功能。具有智能電池管理功能，可將電池壽命延長30%，

21、對所使用電池的充電過程進展監(jiān)控，浮充電壓作為環(huán)境溫度的函數(shù)自動調(diào)節(jié)，并周期性對電池進展測試檢查，電池如有故障將警告用戶。n 四抗干擾方面的比較 UPS在構(gòu)造上采用鋼架式構(gòu)造，外殼采用防銹鋼板折彎而成，且有極強的屏蔽性， 符合電磁兼容性要求，一般在設計中特意在流線型塑料外殼內(nèi)襯了2mm厚的防銹鋼板，同時還采用了高射頻干擾RFI濾波器，在保持了優(yōu)美外觀的同時，更防止了對人體及其它設備的輻射及干擾，而逆變器本身對電池后面的直流設備，如程控交換機等就具有較大的射頻干擾。n 五電氣性能比較 UPS做為一個完整獨立的電源系統(tǒng)，在世界上已應用幾十年，且技術(shù)成熟，生產(chǎn)廠家規(guī)模龐大，而逆變器生產(chǎn)廠家規(guī)模小，電氣

22、性能標準較低，在性能上難與UPS相提并論。 鉛酸免維護電池的使用壽命與放電深度的關(guān)系n放電深度指用戶在使用蓄電池的過程中，讓電池放出的安時數(shù)與它標稱容量安時數(shù)的百分比n電池的使用壽命和放電深度密切相關(guān)n 35年壽命電池n 放電深度100%200/250次放電循環(huán)n 放電深度50%500/600次放電循環(huán)n 放電深度30%1200次以上nUPS滿載/半載放電到自動關(guān)機，大約30%放電深度nUPS過度輕載放電到自動關(guān)機，放電深度過深而提前損壞n禁：UPS小電流、長時間放電空載UPS后備時間與蓄電池放電效率的關(guān)系1009080706050403020100%蓄電池放電效率T小時后備延長放電時間0 2

23、 4 6 10 20 30UPS后備時間的計算n能量守恒小功率模擬計算n 停電后，UPS作為供電設備提供負載繼續(xù)工作的電能是由UPS的后備蓄電池存儲的能量釋放出來的，因此：n 以10KVA為例，延長4小時n 10KVA*4H=192V直流供電電壓*Yn Y=208AHn 因此，需要兩組100AH的蓄電池，也就是32節(jié)12V 100AH蓄電池n注意：此值為理想狀況下，不考慮用戶的實際負載量和蓄電池組的 n 放電效率由于外界環(huán)境因數(shù)對于蓄電池放電的影響。大功率UPS后備時間的計算n因電池放電時間與放電電流、環(huán)境溫度、負載類型、放電速率、電池容量等多因素相關(guān)，提供通用的UPS后備電池計算公式：n根據(jù)電池提供的電池恒功率放電數(shù)據(jù)表來計算所需的后備電池的容量值。由于蓄電池廠家