不間斷電源系統(tǒng)

不間斷電源系統(tǒng)UPS(UninterruptablePowerSupply)定義：UPS系統(tǒng)是連接在輸入電源和負載之間，為重要負載提供不受電網干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的電力供應的電源設備，在市電掉電后，UPS可繼續(xù)給負載提供一段時間的供電，為通信、能源、化工、醫(yī)療等重要負載提供足夠的后備時間。應用范圍：UPS系統(tǒng)適用于不間斷用電場合，主要作為各種計算機機房的不間斷電源系統(tǒng)，廣泛應用于金融證券、郵電通信、政府機關、能源化工、交通運輸等各行各業(yè)。系統(tǒng)組成：UPS系統(tǒng)主要包括由整流模塊(REC)和逆變模塊(INV)組成的AC-DC-AC變換主回路、由兩組反向并聯的可控硅組成的旁路靜態(tài)開關、維修旁路空開Q3BP、輸出隔離變壓器和靜態(tài)開關、蓄電池組以及輸入/輸出空開Q1/Q5等，如圖1所示。圖1UPS原理框圖

UPS系統(tǒng)基本工作方式是主路交流電源從空氣斷路器Q1輸入，經過整流模塊將交流電源變成直流電源，完成AC/DC變換，一方面給并接在直流母線上的蓄電池組進行浮充充電，另一方面向逆變模塊提供可靠的輸入直流電。逆變器進行DC/AC變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成交流電源，經過隔離變壓器輸出。UPS系統(tǒng)應用實時處理和全數字控制技術，從主回路靜態(tài)開關輸出穩(wěn)定、潔凈、不間斷的交流電源。輸入電源也可以從包含有靜態(tài)開關的旁路回路向負載供電。另外，在要求負載電源不停電而對UPS內部進行維修時，可使用維修旁路開關Q3BP。四.工作原理A1B1C1A2B1C1N2A1B1C1A2B1C1N2BPBNUVWNUL33系列UPS單機系統(tǒng)主電路如圖2所示。圖2三進三出UPS單機主電路原理圖主路輸入電源從空氣斷路器Q1輸入，通過熔斷器保護系統(tǒng)，經自耦變壓器降壓，通過輸入電感進入高頻六管整流單元，高頻整流/充電器將三相交流電變換為穩(wěn)定的直流電源，同時實現功率因素

校正；該部分電路采用分步式多重軟啟動功率回路和DSP實時處理的全數字控制技術，提高了系統(tǒng)的抗沖擊能力和直流母線電壓的穩(wěn)定性，可減小蓄電池充電紋波，延長蓄電池的壽命。蓄電池通過接觸器接入，只有在直流母線電壓達到一定閥值時接觸器才能將蓄電池組與直流母線并聯接通，蓄電池通過直流濾波電路向逆變器提供直流電源。逆變器采用DSP實時處理的全數字矢量控制技術通過SVPWM調制六只IGBT功率開關器件，把直流母線電源變換成三相交流。輸出經過a/Z0變壓器、靜態(tài)開關、快速熔斷器、空氣斷路器等功能單元，實現負載端與輸入側的隔離。旁路輸入電源從空氣斷路器Q2輸入，通過旁路靜態(tài)開關的控制后輸出。雙DSP和單片MCU組成全數字控制系統(tǒng)，為本機強大的功能提供了可靠保證。通過控制旁路靜態(tài)開關和逆變器輸出靜態(tài)開關的通斷狀態(tài)可實現多種工作模式的切換，先進的電池管理可延長電池壽命，多種通信接口和管理軟件為管理個性化提供了可能。UPS并機系統(tǒng)采用全數字、分散式在線并聯。各臺UPS由并機板引入并機邏輯信號和環(huán)流檢測信號，可實現最多8臺同型號UPS的直接并聯。UL33系列UPS電源能夠實現N+X冗余并聯、擴容并聯及串聯熱備份等多種工作方式。在線并機方式不需增加任何輔助設備，可縮短停電時間甚至無需斷電，從而提高系統(tǒng)可靠性。五.結構布局如圖3和圖4所示，UPS系統(tǒng)主要由整流模塊、逆變模塊、輔助電源、輸入輸出配電、監(jiān)控系統(tǒng)、并機控制、防國和EMI系統(tǒng)、風扇制冷系統(tǒng)、輸入輸出隔離濾波系統(tǒng)等組成。.6644:交流接觸器7:逆變模塊1：風扇2：整流模塊5：電池輸入接線端子3:兩塊輔助電源板ULW2L61M56：手動維修空氣斷路器Q3BP:配電板ULK2L61R1:D級防雷器SPD12Z:輸出空氣斷路器Q5:主路輸入空氣斷路器Q1:旁路電源輸入空氣斷路器Q213:操作鍵盤板ULW2L61K114:液晶顯示屏15:并機板ULW2L61M316:監(jiān)控板ULW2L61U217:地腳螺釘四個圖320k/30kUPS元器件布局圖2:整流模塊3:軟啟動繼電器2:整流模塊3:軟啟動繼電器5:兩塊輔助電源板ULW2L61M57:霍爾電流傳感器9:手動維修空氣斷路器Q3BP11:旁路電源輸入空氣斷路器Q213:快速熔斷器15:EMI板ULW2L61M417:輸出空氣斷路器Q519:液晶顯示屏21:蓄電池EMI板23:地腳螺釘四個圖440k/60kVAUPS元器件布局圖1:風扇4:交流接觸器6:D級防雷器SPD12Z8:電池輸入接線端子10:主路輸入空氣斷路器Q112:逆變模塊14:并機板ULW2L61M316:磁環(huán)18:操作鍵盤板ULW2L61K120:監(jiān)控板ULW2L61U222:熔斷器NT00七.基本功能1.工作模式1.1正常工作模式在主路市電正常時，UPS—方面通過整流器、逆變器給負載在線提供高品質交流電源；另一方面通過整流器為電池充電，將能量儲存在電池中。原理框圖見圖5。交流電故障后由發(fā)電機供電且發(fā)電機容量足夠大時，稱為智能發(fā)電機工作模式。圖5正常工作模式1.2電池工作模式當主路市電異常時，系統(tǒng)自動無間斷地切換到電池工作模式，由電池逆變出用戶所需的三相四線交流電源向負載供電。市電恢復后系統(tǒng)自動無間斷地恢復到正常工作模式。原理框圖見圖6。1.3旁路工作模式旁路工作方式有兩種，一種能自動恢復到正常工作模式；另一種需人工干預才能回到正常工作模式。在逆變器過載延時時間到、逆變器受大負載沖擊等情況下，系統(tǒng)自動無間斷切換到靜態(tài)旁路電源向負載供電。在UPS恢復正常后，系統(tǒng)自動恢復正常供電方式。當用戶關機，或主路市電異常且電池儲能耗盡，或發(fā)生嚴重故障等情況下，逆變器關閉，系統(tǒng)會停留在旁路工作模式。此后若需恢復到正常工作模式，則需要用戶重新開機。原理框圖見圖7。圖7旁路工作模式1.4ECO工作模式如果負載對電源的質量要求不是很高（如用戶設備允許斷電達20ms），而對系統(tǒng)的效率要求較高時，可通過設置讓系統(tǒng)工作在“ECO工作方式”這種方式下，旁路電源正常時系統(tǒng)通過靜態(tài)旁路給負載供電，主路通過整流器給電池充電；當旁路電源斷電或超出允許范圍時，UPS會自動將負載切換到由主路或電池逆變器供電（間斷時間v15ms=。當旁路電源恢復正常后（在允許范圍內），系統(tǒng)會自動地恢復到ECO工作模式，從而大大提高了系統(tǒng)的效率。原理框圖見圖8。

1.5維修工作模式需要對UPS系統(tǒng)及電池等進行全面檢修或設備故障需維修時，可以通過閉合維護開關Q3BP,將負載轉向維修旁路直接供電，以實現對UPS不停電維護。維修時需要斷開UPS內部的主路輸入、旁路輸入電源和電池輸入開關以及輸出開關，實現UPS內部不帶電而對負載仍然維持供電的維修工作模式。原理框圖見圖9。圖9維修工作模式1.6聯合供電工作模式柴油發(fā)電機組與蓄電池聯合供電模式。當市電無法供電，柴油發(fā)電機組輸出功率又不滿足負荷需求時，蓄電池會自動輔助供電，實現聯合供電模式。聯合供電時間應當服從電池管理系統(tǒng)的設置。原理框圖見圖10。圖10聯合供電工作模式1.7并機工作模式多臺UPS（最多8臺）在冗余并機或增容并聯的工作方式時，各臺UPS之間自動均分負載，如果其中一臺UPS出現故障，該臺UPS自動退出運行，剩余UPS均分負載；如果系統(tǒng)過載，則整個UPS系統(tǒng)轉旁路運行。并機工作又有正常工作模式、電池工作模式、旁路供電模式、維修工作模式和聯合供電模式等多種工作模式。.8多種電源輸入方式UPS系統(tǒng)主路輸入和旁路輸入可以是同一路電源也可以是兩路不同的電源。輸入連接方式見圖圖12。

圖3-7一路電源輸入方式圖3-8兩路電源輸入方式2電池管理：2.1常規(guī)電池管理功能電池管理系統(tǒng)可以實現多種常規(guī)電池管理功能，主要有自動均浮充轉換控制、電池預告警關機、定期自動維護、手動電池自檢等功能。2.2電池故障檢測電池故障檢測是通過放電法來實現在線檢測的，控制電池在某些確定的功率下放電，并測試停止放電時電池端電壓，用所得端電壓值與該種型號新電池同樣放電情況下的端電壓相比較，以確定其容量衰減比率，容量衰減超過某一設定比率時提示更換電池。2.3預測電池放電后備時間預測電池放電后備時間，以新電池恒功率放電曲線以及電池檢測所得電池容量衰減比率為依據，通過實時計算和監(jiān)測電池的容量，實現電池在任何狀態(tài)下對當時負載放電的后備時間預測和顯示。3告警和保護UPS系統(tǒng)具有多種告警方式，可通過聲、光、LCD、干接點以及網絡傳輸方式對當前發(fā)生的告警進行及時、準確的告警和詳細提示，在提高系統(tǒng)可靠性的同時，幫助維護人員準確快速地定位及排除故障。根據顯示方式可以將告警信息分為提示性彈出告警和已發(fā)生告警兩類，提示性彈出告警用于提示用戶，防止用戶因進行某種操作而導致危險，已發(fā)生告警主要是指已經發(fā)生且當前仍然存在的UPS告警信息。通過設置歷史記錄查看范圍可通過LCD查看最近1~30天或全部的歷史記錄信息，監(jiān)控系統(tǒng)在UPS中最多可儲存200條事件歷史記錄，后臺監(jiān)控軟件可以存儲2萬條事件歷史記錄。監(jiān)控系統(tǒng)提供UPS電源系統(tǒng)參數的統(tǒng)計信息（如切換到電池后備供電的次數、切換到靜態(tài)旁路的次數、電池后備時間、逆變器和旁路電源的運行時間，方便用戶維護管理和故障判斷。系列UPS電源系統(tǒng)具有完備的保護功能。系統(tǒng)提供過壓、過流、過溫等常規(guī)保護措施，功率器件還進行了大幅度的降額設計，同時，系統(tǒng)提供了完備的散熱系統(tǒng)。為延長電池的使用壽命，系統(tǒng)不僅提供完備的電池管理，而且在電池能量快用盡時，系統(tǒng)發(fā)出預報警并自動安全關機。這些保護措施為系統(tǒng)的可靠工作提供了保證，1+1并機時的MTBF可達120萬小時。4冷啟動在沒有交流電源輸入但蓄電池組一直掛在直流母線的情況下，可用電池啟動UPS。啟動后將由電池后備供電一段時間，時間長短由電池充電水平和負載所需功率決定。但是電池的放電時間不允許超過設置的電池最大供電時間。5市電恢復自啟動市電恢復自啟動功能是專門針對UPS設備接有后備電池的應用場合設計的，可以在后備電池實施欠壓保護以后，與網絡監(jiān)控一起實現無人值守場合的UPS自動啟機。6網絡監(jiān)控UPS的監(jiān)控系統(tǒng)支持靈活的網絡化監(jiān)控，通過RS232、RS485、SNMP卡、MODEM等多種通訊方式可以充分滿足不同用戶的應用需求。UPS系統(tǒng)具備自診斷、自保護功能，可以實現自動聲光報警、E-mail和BP機報警UPS電源的監(jiān)控系統(tǒng)具有故障自診斷、自保護功能，同時提供LCD、LED、蜂鳴器等多種自動聲光報警，通過強大的通信網絡實現E-mail和BP機等遠程報警指示。7并機系統(tǒng)監(jiān)控并機系統(tǒng)監(jiān)控采用自適應的RS485并機通訊技術，該技術能夠自動適應UPS在線切入或者退出供電系統(tǒng)引起的通訊變化。當作為管理主機的UPS退出系統(tǒng)后，能夠自動地選取一臺UPS作為RS485并機通訊系統(tǒng)的管理主機，防止通訊系統(tǒng)的崩潰。該技術同時保證了不需用戶添加任何設備，就能夠在任意一臺UPS上看到并聯后UPS的關鍵數據。用戶可以選取RS232、RS485、SNMP、MODEM等多種后臺通訊方式，對并機系統(tǒng)進行監(jiān)控。8緊急關機在任何狀態(tài)下，若發(fā)現負載、線路或UPS本身發(fā)生危害安全的嚴重故障，可通過“緊急關機”按鈕關閉整流器、逆變器，封鎖輸出（包括旁路和逆變器），同時將斷開電池連接。若故障已排除，可操作面板上的“故障清除”按鈕，讓系統(tǒng)退出緊急關機狀態(tài)。進入正常狀態(tài)之后，整流器重新啟動，電池接觸器吸合，旁路可向負載供電。但若想逆變器工作，用戶需重新操作“逆變器啟機”按鈕，人為啟動逆變器。八UPS系統(tǒng)并機1簡介iTrustUL33系列UPS系統(tǒng)采用可靠的分散式智能并機技術，能實現最多8臺同容量UPS的并聯運行。在UPS并機系統(tǒng)中，各臺UPS的旁路和輸出分別并接在一起，主路則可能采用不同的電源，負載由各臺UPS共同分擔。兩臺UPS組成的并機系統(tǒng)的示意圖見圖。兩臺UPS并機方式UL33系列UPS并機系統(tǒng)的主要特點是：運行于并機系統(tǒng)中的UPS與運行在單機模式下的UPS，其軟、硬件系統(tǒng)完全兼容，運行模式的更改只需通過軟件設置即可完成。采用高精度的實時數字控制技術，在保證各臺UPS輸出電壓嚴格同步的基礎上，直接控制各臺UPS的輸出電流與并機系統(tǒng)平均電流的瞬時誤差。這種快速響應、精準穩(wěn)定的均流調節(jié)，能將各臺UPS的負載不平衡度控制在2%以內，從而保證了并機系統(tǒng)的帶載能力和可靠性。采用簡潔可靠、自動冗余的環(huán)形并機信號總線和高度靈活、智能協調的并機處理邏輯，能確保并機系統(tǒng)在各種工況下的整體動作最優(yōu)以及各臺UPS之間的高度協調。在保證系統(tǒng)可靠性的基礎上，為用戶提供了極大的靈活性，比如，用戶基本無需關注開機及加載順序，過載超時轉旁路后系統(tǒng)能自動恢復等。即使在某臺UPS發(fā)生故障退出運行以后，由余下UPS組成的子系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，但并機系統(tǒng)的帶載能力會相應減小。在每臺UPS的面板上均能查看到整個并機系統(tǒng)的負載情況；同時，并機系統(tǒng)的后臺監(jiān)控可將整個并機系統(tǒng)的行為綜合為一臺“單機”,并實施相應的監(jiān)控處理。2冗余并機系統(tǒng)在由M臺同容量UPS構成的UPS并機系統(tǒng)中，將能承擔用戶正常的最大負載所需的最少UPS臺數稱為并機系統(tǒng)基本臺數N，而將剩余的UPS臺數稱為冗余臺數X。這里，M=N+X<8o在所配置的UPS并機系統(tǒng)中，若冗余臺數X21，則稱為冗余并機系統(tǒng)。冗余并機系統(tǒng)中，設每臺UPS的額定功率為Po，用戶負載總功率的正常最大值為Pmax，則存在下述關系：（N-1）xPo<Pmax<NxPo。見圖4-2所示。

冗余并聯方式冗余并機系統(tǒng)可顯著提高系統(tǒng)的可靠性。在正常情況下，每臺UPS均未工作到滿載，即使用戶負載出現意外增大，系統(tǒng)一般仍能維持逆變側供電而不會轉旁路；而且當X臺UPS出現故障時，剩余的N臺UPS仍能承擔用戶的全部負載，維持系統(tǒng)的正常工作。當冗余并機系統(tǒng)因負載增大而導致失去冗余時，并機系統(tǒng)將發(fā)出告警。盡管UPS單機系統(tǒng)的可靠性已經很高，但冗余并機系統(tǒng)仍能顯著地提高其平均無故障時間（MTBF）。根據統(tǒng)計數據，典型的冗余并機系統(tǒng)所能提升的系統(tǒng)MTBF倍數如下表：冗余并機方案1+1系統(tǒng)2+1系統(tǒng)3+1系統(tǒng)每臺UPS所承擔的負載百分比50%33.3%25%最大輸出功率為標稱功率的倍數200%150%133%并機系統(tǒng)MTBF為單機UPSMTBF的倍數145.33.13擴容并機系統(tǒng)在所配置的UPS并機系統(tǒng)中，若冗余臺數X=0，即總臺數1^1=基本臺數N，則稱為擴容并機系統(tǒng)。擴容并機系統(tǒng)中，設每臺UPS的額定功率為Po，用戶負載總功率的正常最大值為Pmax，則存在下UPS1 負載(N-1)xPo<Pmax<=NxPoUPSN述關系：(N-1)xPo<Pmax<NxPoo見圖4-3所示。擴容并聯方式擴容并機系統(tǒng)并不能提高系統(tǒng)的可靠性，但可增加整個并機系統(tǒng)的容量。其應用遠沒有冗余并機系統(tǒng)廣泛。4串聯熱備份系統(tǒng)作為提高冗余度、增強可靠性的一種手段，串聯熱備份系統(tǒng)可作為1+1冗余并機系統(tǒng)的替代方案。在串聯熱備份系統(tǒng)中需設置一個主機和一個從機，從機的輸出作為主機的旁路，如圖所示。串聯熱備份冗余方式兩臺UPS—般均處于逆變供電狀態(tài)，其中任何一臺UPS出現故障時系統(tǒng)仍能維持負載的正常供電。為實現兩臺UPS的壽命均衡，主、從機還可按照設定的倒換時間進行交替工作。串聯熱備份系統(tǒng)與1+1冗余并機系統(tǒng)的區(qū)別主要在于：4.1、二者的冗余機制不同：串聯熱備份系統(tǒng)是通過UPS的串接實現冗余，而1+1冗余并機系統(tǒng)則是通過UPS的并聯來實現冗余。4.2、串聯熱備份系統(tǒng)一般適用于兩臺UPS的場合，而1+1冗余并機系統(tǒng)只是冗余并機系統(tǒng)的一種特例，易擴展為其他的N+X冗余并機系統(tǒng)。4.3、正常情況下，串聯熱備份系統(tǒng)中一臺UPS承擔所有負載，另一臺UPS則處于空載狀態(tài)，而1+1冗余并機系統(tǒng)中兩臺UPS各分擔一半的用戶負載。4.4、1+1冗余并機系統(tǒng)的帶載能力較串聯熱備份系統(tǒng)大一倍，故在用戶負載意外增大時仍不易轉旁路供電。九.人機界面全中文大屏幕液晶顯示，中英文可選操作界面全中文大屏幕圖形液晶顯示，中英文可選操作界面，可實現電氣參數查詢、UPS功能設置、電源事件告警提示和故障定位，方便用戶使用。大屏幕圖形液晶采用320x240點陣的藍光LCD屏，同時支持中、英文顯示。操作簡單，"一鍵開機"操作顯示面板內容簡潔，按鍵功能標示明確，真正做到“傻瓜”式操作面板，同時逆變開機通過“逆變啟機”鍵即可完成。支持遠程、自動開機，實現無人值守UPS系統(tǒng)在后備電池實施欠壓保護以后，如市電恢復正?？勺詣訂C。同時通過MODEM實現遙測、遙信功能，達到無人值守的目的，用戶不在設備運行現場就可以獲取設備的各種信息。模塊化電路結構，全正面操作，使用維護工作方便快捷UPS系統(tǒng)的整流模塊、逆變模塊、輔助電源、并機控制、監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、EMI單元等各自獨立，整流和逆變的硬件模塊還可以完全互換，配電開關和監(jiān)控顯示操作面板全部在設備正面，因此使用、維護工作輕松快捷。

附：UL33系列UPS特性參數表5-1UL33系列UPS電源特性參數指標容量20kVA30kVA40kVA60kVA型號UL33-0200LUL33-0300LUL33-0400LUL33-0600L輸入電壓380V（線電壓）輸入方式三相三線功率因數>0.99諧波電流<3%電壓范圍+15%?-45%-20%~-45%之間降額使用頻率范圍50Hz±10%旁路輸入輸入電壓380V（線電壓）輸入電壓范圍±10%輸入方式三相四線頻率范圍50Hz±10%整流器輸出指額定電壓405V穩(wěn)壓精