UPS基礎(chǔ)知識-培訓(xùn)資料

UPS電源的基礎(chǔ)知識梅蘭日蘭電子（中國）有限公司UPS簡介UPS的基礎(chǔ)知識UPS的定義UPS的主要作用UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)UPS的基本組成UPS的基本運行原理（單機/并機）正常運行方式電池后備運行方式旁路運行方式維修運行方式

UPS的基本技術(shù)指標目錄page2UPS的基礎(chǔ)知識UPS的定義UPS是英文UninterruptablePowerSupply的縮寫，中文譯為“不間斷電源”；它是能夠?qū)崿F(xiàn)兩路電源之間不間斷地相互切換的電氣裝置；從嚴格意義上講，UPS不是一種電源，它不是依靠能量形式的轉(zhuǎn)換來提供電能，它只是提供一種兩路電源之間無間斷切換的機會，這才是UPS的主要設(shè)計思想；UPS的價格之所以昂貴，就是貴在這種不間斷切換的特點上page3UPS的定義UPS是電力電子技術(shù)的產(chǎn)品：以電力為對象，以電子技術(shù)為手段實現(xiàn)控制的技術(shù)稱為電力電子技術(shù)。它的主要任務(wù)是利用電力和電子器件實現(xiàn)對電能的控制和轉(zhuǎn)換。從1956年第一只可控硅（SCR）誕生之日起，即進入了電力電子技術(shù)的時代。70年代末期由微電子技術(shù)與電力晶體管（GTR）技術(shù)相結(jié)合，進入了現(xiàn)代電力電子技術(shù)的時代。現(xiàn)代電力電子技術(shù)應(yīng)用于所有的電氣工程領(lǐng)域，例如：發(fā)電廠的儲能設(shè)備、直流輸電設(shè)備、動態(tài)無功補償、電力機車牽引、變頻調(diào)速電機、不間斷電源、開關(guān)電源、中高頻感應(yīng)電爐、電視、辦公自動化、通訊、汽車自動化、家用電器等等。page4UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——為什么要使用UPS？隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種各樣的用電器越來越多，而這其中的絕大部分都是非線性負載(Non-LinearLoad)：從電網(wǎng)提取電流的波形與電壓波形不一致的負載；阻抗隨加在其兩端的電壓而變化的負載；產(chǎn)生諧波電流的負載又稱為畸變負載(DeformingLoads)或污染負載(PollutingLoad);一方面，這些非線性負載給電網(wǎng)帶來了大量的諧波以及其它的干擾，使供電的質(zhì)量越來越壞;另一方面，一些重要的用電部門，如機場、醫(yī)院、銀行等和一些重要的用電設(shè)備：如計算機、通訊設(shè)備等，對供電質(zhì)量的要求越來越高:不僅要求不停電，還要求電壓、頻率穩(wěn)定，還要求波形準確完好。簡而言之，需要有一個干凈或凈化的電源。page5UPS的基礎(chǔ)知識這就使得負載與電網(wǎng)供電質(zhì)量之間的矛盾日趨加深，必須解決。在諸多的解決電源的方案中，UPS是最好的解決方案UPS的主要作用——解決電網(wǎng)中的騷擾騷擾（disturbance）：任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩?、無生命的物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的現(xiàn)象；干擾（interference）：由騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能下降的現(xiàn)象；

從嚴格意義上講，“騷擾”和“干擾”是兩個不同的概念：“騷擾”是一種客觀存在的現(xiàn)象；“干擾”是一種在“騷擾”作用下，使敏感設(shè)備受到影響時的現(xiàn)象。（根據(jù)GB4824-1996的標準詞匯，選用“騷擾”一詞。）page6UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——解決電網(wǎng)中的騷擾停電：短時間的、長時間的...page7UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——解決電網(wǎng)中的騷擾電壓變化：電壓跌落、過電壓、欠電壓、電壓尖峰、三相不平衡...page8UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——解決電網(wǎng)中的騷擾頻率變化：頻率波動、過高、過低、閃爍...page9UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——解決電網(wǎng)中的騷擾其它騷擾：高頻瞬態(tài)沖擊、諧波、電磁兼容性...page10UPS的基礎(chǔ)知識UPS的主要作用——電網(wǎng)中騷擾的解決方案為了消除電網(wǎng)中的騷擾，必須制定有關(guān)的供電標準，如：EN50160

定義了歐洲配電系統(tǒng)中的一些正常波動：電壓+10%到-15%(每10分鐘間隔的平均有效值)，其中每周95%的時間必須在±10%的范圍內(nèi)；頻率+4％到-6%，一年中有99.5%的時間在1%的范圍內(nèi)。國家標準《電子計算機場地通用規(guī)范》（GB/T-2887-2000）中關(guān)于機房供配電要求：

頻率：50Hz，電壓：380V／220V，相數(shù)：三相五線制或三相四線制／單相三線制：page11UPS的基礎(chǔ)知識page12UPS的基礎(chǔ)知識供電電源的分類：一類供電：指需要建立不停電供電的電源系統(tǒng)從兩個可靠的獨立的變電站各自引入一路供電線路；兩路電源不會同時檢修停電的現(xiàn)象；每條線路平均每月停電次數(shù)不大于一次；平均每 次故障時間不應(yīng)大于0.5小時（供電可用性為99.9％）；兩路供電線路需配有自動切換裝置。page13UPS的基礎(chǔ)知識供電電源的分類：二類供電：指需要建立帶備用的供電系統(tǒng)一路具有上述供電能力的市電輸入；一路用戶自主起動的備用發(fā)電機組；市電平均每月停電次數(shù)不應(yīng)大于3.5次；市電平均每次停電不應(yīng)大于6小時（供電可用性為99％）。page14注：此處供電電源的可用性應(yīng)是指UPS的輸入端UPS的基礎(chǔ)知識供電電源的分類：三類供電：指一般用戶供電市電平均每月停電次數(shù)不應(yīng)大于4.5次；市電平均每次停電時間不應(yīng)大于8小時（供電可用性為95％）。page15負載的供電等級一級負載：這種負載是指：如果突然中斷供電，負載將不能工作，其影響將關(guān)系到國計民生的大事，或?qū)?dǎo)致重大的人身傷亡和惡性事故的發(fā)生。例如國防建設(shè)、生產(chǎn)、交通運輸、電信、財政、金融、航空管理等部門，一旦因供電突然中斷將會造成難以彌補的重大損失。一級負載應(yīng)采取一類供電，即對負載建立不停電的電源系統(tǒng)。二級負載：這種負載是指：如果突然中斷，負載將不能正常運行，在一定的程度上造成一定的損失。例如一些科研單位、計算機過程控制的生產(chǎn)單位等。二級負載應(yīng)采取二類供電，即需要建立具有備用電源的供電系統(tǒng)。三級負載：這種負載是指：一旦因突然中斷供電不會引起過大的損失。UPS的基礎(chǔ)知識2.隔離作用：將瞬間間斷、諧波、電壓波動、頻率波動以及電壓噪聲等電網(wǎng)騷擾阻擋在負載之前，即使負載對電網(wǎng)不產(chǎn)生騷擾，又使電網(wǎng)中的騷擾不影響負載；page16UPS的主要作用1.兩路電源之間的無間斷相互切換；UPS的基礎(chǔ)知識4.頻率變換作用：輸入頻率等于或不等于輸出頻率，如50Hz/50Hz，50Hz/60Hz，包括穩(wěn)頻作用；page17UPS的主要作用3.電壓變換作用：輸入電壓等于或不等于輸出電壓，如380V/380V，380V/220V，包括穩(wěn)壓作用；UPS的基礎(chǔ)知識1)和5)是保證對負載供電的連續(xù)性；2)、3)和4)是保證對負載供電的質(zhì)量。page18UPS的主要作用5.提供一定的后備時間：UPS的電池貯存一定的能量，在電網(wǎng)停電或間斷時繼續(xù)供電一段時間來保護負載；后備時間為10分鐘、30分鐘、60分鐘或更長。UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（1）被動后備式(PassiveStandby，也稱為離線式OFF-Line)組成充電器逆變器電池濾波器/調(diào)壓器工作原理見右圖page19UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（1）被動后備式(PassiveStandby，也稱為離線式(OFF-Line))應(yīng)用：小于2KVA的UPS；優(yōu)點：電路簡單，價格便宜；缺點：頻率不能調(diào)節(jié)，切換有間斷。page20UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（2）線互動式(LineInteractive)組成：靜態(tài)開關(guān)雙向逆變器電池旁路開關(guān)工作原理：見右圖page21UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（2）線互動式(LineInteractive)應(yīng)用：此種配置不太適合作為中-大功率為敏感性負載的電源，因為無法進行頻率的調(diào)節(jié)。由于這個原因，在除小功率以外的設(shè)備中很少采用這種配置。通常小于10KVA，用于非關(guān)鍵性負載。優(yōu)點：電路簡單，價格便宜；缺點：頻率不能調(diào)節(jié)，動態(tài)特性差。page22UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（3）雙轉(zhuǎn)換式(Double－Conversion，又稱為在線式On-Line)基本組成：整流器/充電器逆變器靜態(tài)開關(guān)(靜態(tài)旁路)手動旁路開關(guān)(手動維修旁路)電池逆變器串聯(lián)在交流輸入和負載之間工作原理：見右圖page23UPS的基礎(chǔ)知識UPS的分類和拓撲結(jié)構(gòu)（3）雙轉(zhuǎn)換式(DoubleConversion，又稱為在線式On-Line)應(yīng)用：在這中配置中，由于使用了靜態(tài)開關(guān)，將負載切換到逆變器所需的時間可以忽略不計；而且，輸出的電壓和頻率完全獨立于輸入電壓和頻率。這意味著這種類型的UPS可以被設(shè)計作為頻率轉(zhuǎn)換器使用。實際上，這種類型是中大功率的主要配置（10KVA以上）。注意：這種類型的UPS常常被稱作“在線式”，這表示負載由逆變器連續(xù)供電而不管交流輸入電源的狀態(tài)如何。優(yōu)點：穩(wěn)壓穩(wěn)頻、切換無間斷；缺點：價格昂貴。page24UPS的基礎(chǔ)知識page25單機UPS的基本組成1).整流－充電器：由可控硅三相全控整流橋功率電路和相應(yīng)的控制電路組成。它將電源1輸入的交流電變換成直流電，供給電池組充電及逆變器的輸入。2).逆變器：由IGBT逆變功率電路和相應(yīng)的控制電路組成。它將整流－充電器輸入的直流電變換為正弦交流電供給負載。3).旁路靜態(tài)開關(guān)：由反并聯(lián)的可控硅功率電路和相應(yīng)的控制電路組成。它實現(xiàn)負載在逆變器與旁路電源2之間的不間斷切換。4).電池電路：由可充電的電池組組成。將直流能量貯存在電池組中，當電源1停電或超限時，向逆變器電路釋放能量，以對負載進行后備式的供電。5).各種隔離保護裝置：a.Q1：整流器輸入開關(guān)；b.QF1：電池電路保護開關(guān)；c.Q4S：電源2或靜態(tài)旁路輸入開關(guān)；d.Q5N：逆變器輸出開關(guān);e.Q3BP：手動維修旁路開關(guān)。正常運行方式正常運行方式：提供給負載的所有電力都經(jīng)過整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換（AC-DC-AC），雙轉(zhuǎn)換模式因此而得名。整流器/充電器對電池進行浮充電以保持電池處于滿充狀態(tài)。UPS的基本運行原理page26電池后備運行方式市電停電或超限、電池放電工作方式：當交流輸入電壓超出UPS允許的容限范圍或市電中斷時，繼續(xù)為負載供電。UPS，逆變器和電池無間斷地投入將持續(xù)運行直到電池放電時間終止，或在市電恢復(fù)正常時回到正常運行方式。page27UPS的基本運行原理恢復(fù)充電運行方式市電恢復(fù)正常(充電)工作方式：提供給負載的電力都經(jīng)過整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換，同時整流器/充電器開始給電池進行恢復(fù)性充電。page28UPS的基本運行原理旁路運行方式

當停止逆變器時，負載可以無間斷地切換到旁路交流輸入(根據(jù)安裝方式的不同由市電或后備電源供電）,引起旁路運行的原因可能是：UPS內(nèi)部故障；負載電流瞬變電流尖峰(沖擊電流或故障電流)；人為停止逆變器。page29UPS的基本運行原理維修運行方式UPS維修時，通過手動的方式將負載無間斷地切換到維修旁路，這樣可以將UPS的內(nèi)部進行隔離，在不中斷負載的運行的情況下對UPS進行維護和維修。整流器/充電器，逆變器和靜態(tài)開關(guān)被關(guān)閉并從主電源隔離出來。電池被其保護性斷路器隔離。page30UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－熱備份式并聯(lián)：可由兩臺不同容量的UPS組成，主機帶重要負載，備機帶次要負載或不帶載；主機到備機的切換無間斷。優(yōu)點：可靠性最高；連接簡單；后備時間延長。缺點：不能增容；過載能力不能增大。page31UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－直接并聯(lián)由2到4臺單機型UPS組成，每臺UPS具有各自的靜態(tài)旁路，可實現(xiàn)：并聯(lián)冗余；并聯(lián)增容。優(yōu)點：并聯(lián)簡單；不增大占地；價格適當；負載均分。缺點：所有UPS的旁路必須是同一路電源；可靠性略低。

page32UPS的基本運行原理提高UPS可靠性的方法－公共旁路并聯(lián)由2到6臺同等容量的并聯(lián)型UPS組成，采用大容量的公共靜態(tài)旁路開關(guān)柜，以便實現(xiàn)：并聯(lián)冗余；或并聯(lián)增容。優(yōu)點：公共旁路過載能力大；可靠性高。缺點：占地面積大；價格昂貴。page33UPS的基本運行原理UPS的常用技術(shù)指標——基本技術(shù)指標page34主交流輸入主輸入電壓U1：380V±15%主輸入頻率F1：50Hz±10%輸入范圍越寬，對市電的要求越低，電池放電的機會越少，受市電影響也越小。啟動電流：小于In（額定電流）UPS應(yīng)具有斜坡啟動的功能，以減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，造成輸入開關(guān)跳閘。輸入功率因數(shù)PF：0.8(SCR-6p)或0.9(SCR-12p)，0.95(SCR+IGBT)，0.99(PFC+IGBT)輸入電流諧波總失真度THDI：>30%(SCR)，20%到30%(SCR+IGBT)，<10%(SCR-12p)，<5%(PFC+IGBT)THDI越大，對電網(wǎng)注入的諧波含量越大，特別是使用發(fā)電機時應(yīng)注意。UPS的常用技術(shù)指標——基本技術(shù)指標page35旁路交流輸入旁路輸入電壓U2：380V±10%旁路輸入頻率F2：50Hz±10%輸入范圍越寬，要求負載的輸入范圍也越寬短路電流ISC2：xxKA表示靜態(tài)旁路的短路承受能力，對下線的保護裝置很重要注：建議主電源與旁路電源采用分離供電方式，因為這樣能提高系統(tǒng)的整體可靠性；但如果主低壓開關(guān)柜中沒有兩個分離的回路時，主交流輸入和旁路交流輸入也可以由同一主電源提供(分為二根電纜)。UPS的常用技術(shù)指標——基本技術(shù)指標page36UPS交流輸出穩(wěn)態(tài)輸出電壓：380V+0.5%到+3%輸出電壓越精確,對計算機的供電越穩(wěn)定，但IEC標準僅要求小于5%,計算機即可接受同步跟蹤速率：0.5Hz/秒到2Hz/秒同步速率越快，輸出電壓的波動也越大，有利于熱備份聯(lián)結(jié)；同步速率越慢，對輸出電壓的波動也越小，有利于直接并聯(lián)動態(tài)響應(yīng)：+5%，恢復(fù)時間10到20毫秒動態(tài)電壓越小，表示動態(tài)調(diào)整能力越強，適應(yīng)負載變化的能力越強；響應(yīng)時間越短，表示恢復(fù)速度越快，適應(yīng)非線性負載的能力越強輸出功率因數(shù)：0.8滯后，(IEC標準)輸出電壓總諧波失真度THDU：2%到5%（線性負載或非線性負載）UPS的常用技術(shù)指標——基本技術(shù)指標page37UPS交流輸出三相輸出電壓不平衡度——在100%不平衡負載電流下的最大不平衡電壓：30%不平衡度時小于+1%，100%不平衡度時小于+5%輸出電流峰值因數(shù)：大于等于3：1峰值因數(shù)高，則承受非線性負載的能力強逆變器過載能力：125%－10分鐘；