UPS基礎(chǔ)概念培訓(xùn)

UPS基本概念什么是UPS？電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要電網(wǎng)存在的質(zhì)量問(wèn)題UPS的分類(lèi)UPS的基本組成部件功率因數(shù)UPS系統(tǒng)的組成GE數(shù)字能源-電源質(zhì)量

劉天宇——南區(qū)什么是UPS?中文是“不間斷電源”(uninterruptiblepowersupply)

它是能夠?qū)崿F(xiàn)兩路電源之間無(wú)間斷地相互切換的電氣裝置

有時(shí)人們叫它“不停電電源”，這種說(shuō)法從專(zhuān)業(yè)上來(lái)說(shuō)是不確切的。因?yàn)殡娫词悄軌蛱峁╇娔堋?shí)現(xiàn)其他能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置。UPS不能依靠能量的轉(zhuǎn)換來(lái)提供電能，因此從嚴(yán)格意義上講，UPS不是一種電源。它只是提供一種兩路電源之間無(wú)間斷轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)，這才是UPS設(shè)計(jì)的主要思想。UPS的價(jià)格之所以昂貴，就是貴在這種不間斷切換的特點(diǎn)上。UPS=VFI+BAT為什么要使用UPS？ 理論上講，供電設(shè)備應(yīng)提供固定幅值和頻率的正弦波電壓（比如低壓配電系統(tǒng)中400V，50Hz）。但實(shí)際的情況是，市電在額定值附近波動(dòng)。

電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要

標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB12325—90供電電壓允許偏差

(1)35kV及以上為正負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過(guò)10％；

(2)10kV及以下三相供電為±7％；

(3)220V單相供電為+7％，一10％衡量點(diǎn)為供用電產(chǎn)權(quán)分界處或電能計(jì)量點(diǎn)GB2326—2000

電壓波動(dòng)和閃變電壓變動(dòng)d的限值和變動(dòng)頻度r(h-1)有關(guān)：當(dāng)r≤1000時(shí)，對(duì)于低壓(LV)和中壓(MV)，d=1.25％～4％；對(duì)于高壓(HV)，d=1．O％～3％；對(duì)于隨機(jī)不規(guī)則的變動(dòng)，d=2％(LV、MV)和d=1.5％(HV)，閃變限值如下表：此標(biāo)準(zhǔn)為GB12326—90修訂版衡量點(diǎn)為電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(PCC)；Pst每次測(cè)量周期10min，取實(shí)測(cè)95％概率值；幾每次測(cè)量周期2h，不得超標(biāo)；

(3)規(guī)定限值分三級(jí)處理原則；提供預(yù)測(cè)計(jì)算方法，規(guī)定測(cè)量?jī)x器并給出典型分析實(shí)例。系統(tǒng)電壓等級(jí)LVMVHV

Pst

1.0

0.9(1.0)

0.8

P1t

O．8

O．7(O．8)

O．6注1．括號(hào)中的值僅適用于所有用戶(hù)為同電壓級(jí)場(chǎng)合。

2．Pst為短時(shí)間閃變；P1t為長(zhǎng)時(shí)間閃變。電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)允許限值說(shuō)明GB／T14549—93公用電網(wǎng)諧波各級(jí)電網(wǎng)諧波電壓限值(%)衡量點(diǎn)為PEC，取實(shí)測(cè)95％概率值；對(duì)用戶(hù)允許產(chǎn)生的諧波電流，提供計(jì)算方法；(3)對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器作出基本規(guī)定；(4)對(duì)同次諧波隨機(jī)性合成提供算法電壓(kV)THD奇次偶次O．3854.02．O6、1043.21.635、6632.41.211021.6O．8注1.220kV電網(wǎng)參照110kV執(zhí)行。

2．表中THD為總諧波畸變率。GB／T15543—1995三相電壓允許不平衡度

(1)正常允許2％，短時(shí)不超過(guò)4％；

(2)每個(gè)用戶(hù)一般不得超過(guò)1.3％。

(1)各級(jí)電壓要求一樣；(2)衡量點(diǎn)為PCC，取實(shí)測(cè)95％概率值或日累計(jì)超過(guò)不超過(guò)72min，且每30min中超標(biāo)不超過(guò)5min；(3)對(duì)測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器作出基本規(guī)定；

(4)提供不平衡度算法。GB／T15945—1995電力系統(tǒng)頻率允許偏差

(1)正常允許±0.2Hz，根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到土0.5Hz；

(2)用戶(hù)沖擊引起的頻率變動(dòng)一般不得超過(guò)土0.2Hz對(duì)測(cè)量?jī)x器提出了基本要求電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要電網(wǎng)存在的質(zhì)量問(wèn)題：

電網(wǎng)存在的質(zhì)量問(wèn)題：

電噪頻率波動(dòng)斷電諧波尖峰欠壓過(guò)壓電網(wǎng)中干擾的類(lèi)別與比例

UPS的作用兩路電源之間的無(wú)間斷相互切換

隔離作用電壓變換作用頻率變換作用提供一定的后備時(shí)間UPS的兩路電源無(wú)間斷相互切換功能UPS二路供電一路供電M1M2輸出UPS的隔離作用整流器直流逆變器交流輸入交流輸出將瞬間間斷、諧波、電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)以及電壓噪聲等電網(wǎng)干擾阻擋在負(fù)載之前，既使負(fù)載對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生干擾，又使電網(wǎng)中的干擾不影響載。

UPS的電壓變換作用輸入電壓變換輸出380V220V380V400V415V（穩(wěn)壓作用）220VUPS的頻率變換作用50Hz50Hz60Hz輸入頻率變換輸出（穩(wěn)頻作用）60HzUPS的后備功能整流器逆變器交流輸入負(fù)載電池

UPS帶有電池，貯存一定的能量，一方面在電網(wǎng)停電或發(fā)生間斷時(shí)繼續(xù)供電一段時(shí)間來(lái)保護(hù)負(fù)載；另一方面在UPS的整流器發(fā)生故障時(shí)使用戶(hù)有時(shí)間來(lái)保護(hù)負(fù)載。按照用戶(hù)的要求，后備時(shí)間可以是15分鐘、30分鐘、1小時(shí)、2小時(shí)等，甚至更長(zhǎng)。UPS的高質(zhì)量及高可靠性供電UPS的分類(lèi)動(dòng)態(tài)型（旋轉(zhuǎn)型）

發(fā)電機(jī)+慣性飛輪+直流發(fā)電機(jī)靜態(tài)型

后備式

在線互動(dòng)式 雙變換在線式動(dòng)態(tài)UPS這一類(lèi)UPS使用旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)UPS的功能，獲得“旋轉(zhuǎn)逆變器的功能”。這一類(lèi)UPS實(shí)際上是將一臺(tái)高度簡(jiǎn)化的靜態(tài)逆變器與一個(gè)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起。逆變器濾除市電的騷擾，同時(shí)只控制其輸出電壓的頻率(通常以方波的形式)，并為電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組供電。電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組有時(shí)還會(huì)與飛輪組合在一起。電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生以逆變器輸出頻率為參考的正弦波電壓輸出。

18靜態(tài)UPS-后備式工作原理——大多數(shù)基本類(lèi)型的備份電源采用離線式或后備式技術(shù)，如上圖表示。如果市電供給交流電源，它直接通過(guò)UPS傳輸?shù)剿B接的負(fù)載。電池充電器把輸入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，維持電池充電。如果市電故障，逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。逆變器在大多數(shù)時(shí)間里運(yùn)行在后備方式，充電器僅保持電池充電狀態(tài)的功率。一旦市電出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的變化，逆變器從空載到100%負(fù)載供電時(shí)間在幾毫秒之內(nèi)逆變器從電池獲得電能，直到電池耗盡。這種技術(shù)通常稱(chēng)為“單重轉(zhuǎn)換”，因?yàn)樵谌魏蔚慕o出點(diǎn)，電源僅轉(zhuǎn)換一次。

性能特點(diǎn)——

市電利用率高，可達(dá)98%以上。輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。輸出能力強(qiáng)，對(duì)負(fù)載電流波峰因數(shù)，浪涌系數(shù)，輸出功率因數(shù)，過(guò)載等沒(méi)有嚴(yán)格限制。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般為4-10ms。由于它的低成本和高效率，這類(lèi)UPS是保護(hù)家用計(jì)算機(jī)或備份的獨(dú)立工作站運(yùn)行非關(guān)鍵業(yè)務(wù)或文娛活動(dòng)設(shè)備應(yīng)用的理想產(chǎn)品。這類(lèi)的許多產(chǎn)品還包括基本的浪涌保護(hù)，但并不提供任何真正的電源調(diào)節(jié)作用。

靜態(tài)UPS-在線互動(dòng)式工作原理——

在線互動(dòng)式UPS技術(shù)提供相近水平的保護(hù)。同離線式技術(shù)有點(diǎn)相似，在線互動(dòng)式產(chǎn)品采用變壓器或電感器串聯(lián)在市電電源和負(fù)載之間。這種串聯(lián)式電感器提供一定程度的電壓調(diào)節(jié)，使UPS逆變器能夠同輸入電源“相互作用”（互動(dòng)式名稱(chēng)的由來(lái)）。在多數(shù)情況下，這種“雙向的”轉(zhuǎn)換器是恒定的電壓裝置，它用改變輸出相位角去調(diào)節(jié)負(fù)載的變化，由于相位角不能夠快速變化，需要電池提供功率差，這會(huì)導(dǎo)致電池壽命的減少。在線互動(dòng)式產(chǎn)品的另一個(gè)限制是如果不由電池供電運(yùn)行，它不能完全地使輸入電源隔離負(fù)載。公用電源的干擾、頻率上的干擾和其它電源的異常情況可能直接傳送到關(guān)鍵負(fù)載上，因?yàn)樗皇峭耆碾姎飧綦x。

性能特點(diǎn)——當(dāng)市電存在時(shí)，市電利用率高，可達(dá)98%以上。輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負(fù)載性質(zhì)。對(duì)負(fù)載電流波峰系數(shù)，浪涌系數(shù)，輸出功率因數(shù)，過(guò)載等沒(méi)有嚴(yán)格的限制。市電掉電時(shí)，輸出有轉(zhuǎn)換時(shí)間，但比后備式要小。由于它提供基本電壓調(diào)節(jié)和它的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中包括更先進(jìn)的通信能力，在線互動(dòng)式UPS作為選擇考慮成本-效率因素來(lái)保護(hù)關(guān)鍵的工作站和中小型網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)得以應(yīng)用。如果認(rèn)為采用一個(gè)更高級(jí)的集中式電源解決方案不值得的話(huà)，它也不失為一種好的解決方案。靜態(tài)UPS-雙變換在線式工作原理——對(duì)于大規(guī)模集中式的應(yīng)用，真正在線式或稱(chēng)雙轉(zhuǎn)換系統(tǒng)見(jiàn)上圖，提供最佳水準(zhǔn)的保護(hù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，整流器將交流輸入電源整流成直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成潔凈的交流供電給關(guān)鍵負(fù)載。連接到直流母線的電池在正常運(yùn)行時(shí)處于浮充電。如果輸入電源超出規(guī)定的范圍，電池提供電源給逆變器和關(guān)鍵負(fù)載。

性能特點(diǎn)——將關(guān)鍵負(fù)載和交流輸入完全隔離。逆變器總是在向負(fù)載供電：當(dāng)輸入電源中斷時(shí)，輸出電壓沒(méi)有瞬時(shí)的下降，因?yàn)槟孀兤骺偺幵谶\(yùn)行的狀態(tài)，并總是由直流輸入供電；共模噪聲防護(hù)：輸出逆變器通常包括一個(gè)隔離變壓器，這一隔離變壓器可以產(chǎn)生一個(gè)分離的中性線，這樣就使得UPS被電氣隔離，從而對(duì)負(fù)載提供共模噪聲保護(hù)；市電存在時(shí)，串連的兩個(gè)變換都承擔(dān)100%的負(fù)載功率，所以UPS整機(jī)的效率較低。靜態(tài)UPS-雙變換在線式UPS用功率器件1.可控硅（晶閘管）SCR普通型SCR電壓高達(dá)6000V，電流達(dá)數(shù)千安培，自身電壓降約為1.5V。開(kāi)通時(shí)僅需在控制極上加一個(gè)小觸發(fā)脈沖，關(guān)斷電路復(fù)雜，工作頻率不大于500HZ，主要用做整流器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)。2.IGBT場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGBT是新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型電力電子器件，既有單極型電壓驅(qū)動(dòng)的MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，又有雙極型器件BJT耐壓高，電流大的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的最高電壓為1200V，最大電流為1000A，工作頻率高達(dá)100KHZ。普遍用于逆變器和斬波器，有的也用于整流器。UPS的基本組成部件整流器逆變器靜態(tài)開(kāi)關(guān)電池SiteProLanProSG工頻高頻（PFC整流器）功率器件SCR轉(zhuǎn)換形式AC-DC功率器件SCR轉(zhuǎn)換形式AC-DC功率器件IGBT轉(zhuǎn)換形式AC-DC功率器件IGBT轉(zhuǎn)換形式AC-DCTrueProUPS整流器SCR工頻整流器由三只或六只可控硅SCR組成的三相整流橋，分別稱(chēng)為六脈沖和十二脈沖整流器。這種類(lèi)型的整流器吸收n=6k1(這里的k為整數(shù))次的諧波電流，主要是H5和H7，H11和H13的幅值相對(duì)較小。利用濾波器可以控制這些諧波對(duì)上線的注入。

IGBT“潔凈”P(pán)FC(功率因數(shù)校正)整流器這種類(lèi)型的整流器由六只內(nèi)置的IGBT組成的三相整流橋和正弦波調(diào)整系統(tǒng)組成。這種技術(shù)確保了輸入電壓和輸入電流：同為完美的正弦波，即不含諧波；相位相同，即輸入功率因數(shù)接近于1。有了這種類(lèi)型的整流器，就不再需要濾波器了。

UPS整流器正弦脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器正弦脈寬調(diào)制是根據(jù)能量等效原理發(fā)展起來(lái)的一種脈寬調(diào)制法，利用三角波和正弦波的共同作用而產(chǎn)生出正弦脈寬調(diào)制波。目前市場(chǎng)上UPS大多采用這種逆變器調(diào)制方式。采用IGBT和空間矢量調(diào)制技術(shù)

UPS逆變器空間矢量調(diào)制（SVM）逆變器空間矢量調(diào)制是新一代脈沖寬度調(diào)試（PWM）逆變器調(diào)制技術(shù)。SVM采用先進(jìn)的PWM轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。SVM的目標(biāo)是使用較簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換形式組合來(lái)生成輸出電壓矢量。在傳統(tǒng)的PWM中，三角波還與基準(zhǔn)正弦波進(jìn)行比較，結(jié)果是經(jīng)過(guò)脈沖寬度調(diào)試的矩形波，用于為IGBT提供閘控信號(hào)。PWM信號(hào)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通常需要進(jìn)行三維計(jì)算（三個(gè)相角上各一次）以確定逆變器狀態(tài)。通過(guò)使用SVM，計(jì)算簡(jiǎn)化為極坐標(biāo)平面中的二維“空間矢量”，提高了響應(yīng)速度，改善了系統(tǒng)性能。GEUPS采用這種逆變器調(diào)制技術(shù)。UPS逆變器用于將負(fù)載從逆變器切換到旁路，并且在切換時(shí)對(duì)負(fù)載的供電沒(méi)有任何間斷。容錯(cuò)功能使供電系統(tǒng)在各級(jí)供電發(fā)生故障的情況下以“低級(jí)”方式運(yùn)行。在維修所必須的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載繼續(xù)得到供電并創(chuàng)造產(chǎn)值。容錯(cuò)功能

有意識(shí)的逆變器停機(jī)；過(guò)載超過(guò)了逆變器限定的能力；過(guò)溫；內(nèi)部故障。以下的任意一種原因都可能導(dǎo)致自動(dòng)切換：

UPS靜態(tài)旁路1)RealOn-lineTechnology(“DoubleConversion”)TherectifieralwaysconvertsACintoDC,chargesthebatteryandfeedstheinverter.Theinvertercontinuouslysuppliestheloadwithconstantvoltageandfrequency.Whenthemainsfails,theinverterisautomaticallysuppliedbythebattery.RectifierBatteryInverterStaticBypassLoadMainsinput容錯(cuò)功能使UPS具有高可用性2）RealOn-lineTechnology(“DoubleConversion”)TherectifieralwaysconvertsACintoDC,chargesthebatteryandfeedstheinverter.Theinvertercontinuouslysuppliestheloadwithconstantvoltageandfrequency.Whenthelinefails,theinverterisautomaticallysuppliedbythebattery.RectifierBatteryInverterStaticBypassLoadMainsinput容錯(cuò)功能使UPS具有高可用性3）RealOn-lineTechnology(“DoubleConversion”)TherectifieralwaysconvertsACintoDC,chargesthebatteryandfeedstheinverter.Theinvertercontinuouslysuppliestheloadwithconstantvoltageandfrequency.Whenthelinefails,theinverterisautomaticallysuppliedbythebattery.RectifierBatteryInverterStaticBypassLoadMainsinput容錯(cuò)功能使UPS具有高可用性4）RealOn-lineTechnology(“DoubleConversion”)TherectifieralwaysconvertsACintoDC,chargesthebatteryandfeedstheinverter.Theinvertercontinuouslysuppliestheloadwithconstantvoltageandfrequency.Whenthelinefails,theinverterisautomaticallysuppliedbythebattery.RectifierBatteryInverterStaticBypassLoadMainsinput容錯(cuò)功能使UPS具有高可用性UPS的儲(chǔ)能技術(shù)UPS需要一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在市電故障或超限的情況下給逆變器供電。存儲(chǔ)的能量必須具有如下的特性：它能立即用來(lái)提供過(guò)渡市電的間斷、短期的電壓下降或停電時(shí)的電力；具有足夠的功率來(lái)為所有負(fù)載供電，即其額定容量等同于UPS系統(tǒng)本身的額定容量；后備時(shí)間能適合負(fù)載的需要，并且能持續(xù)到獲得其它的能源；(例如由一臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供長(zhǎng)時(shí)間的后備)。可以使用的儲(chǔ)能技術(shù)

電池：-密封鉛酸電池，-膠體電池，-鎳鎘電池。超級(jí)電容；飛輪：-傳統(tǒng)飛輪，以低速旋轉(zhuǎn)(每分鐘1500轉(zhuǎn))并結(jié)合發(fā)電機(jī)組；-中速(每分鐘7,000轉(zhuǎn))或高速(每分鐘30,000到100,000轉(zhuǎn))飛輪。輸入功率因數(shù)和輸出功率因數(shù)輸入功率因數(shù)低時(shí)的危害視在功率的損失

電纜中的溫度升高

中線電流增大自污染負(fù)載損壞電容變壓器降容(Derating)越高越好UPS的供電質(zhì)量線性負(fù)載非線性負(fù)載對(duì)各種電氣裝置，諧波電流既不會(huì)產(chǎn)生有功功率也不會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，只