UPS應(yīng)急電源解析

UPS電源1UPS電源構(gòu)成UPS電源（靜態(tài)交流不停電電源）裝置是一種用于連續(xù)供電的，以電力變流器構(gòu)成的靜止型電源設(shè)備。由可控硅整流器、逆變器、交流靜態(tài)開關(guān)和蓄電池組等組成、其作用是保證向重要負(fù)載不間斷地供電，并改善對負(fù)載的供電質(zhì)量。2UPS電源用途UPS電源正常運(yùn)行時(shí)，由市電交流電源經(jīng)整流器整流變?yōu)橹绷鳎⑼ㄟ^充電器對蓄電池組進(jìn)行充電。再經(jīng)逆變器輸出優(yōu)質(zhì)的交流電源對用電設(shè)備供電。當(dāng)市電突然停電時(shí)，UPS電源裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)換到蓄電池組，蓄電池組放電經(jīng)逆變器對重要用電設(shè)備供電。由于UPS電源裝置與市電電網(wǎng)經(jīng)直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)隔離，排除了市電瞬變干擾，并連續(xù)不間斷地供給重要負(fù)載用電，保證了重要設(shè)備安全可靠地連續(xù)穩(wěn)定地正常運(yùn)行。3對UPS電源裝置的基本要求UPS電源的容量、規(guī)格小型UPS電源裝置容量1kVA及以下；中型UPS電源裝置容量2～15kVA；大型UPS電源裝置容量20kVA及以上。輸出容量最好按實(shí)際負(fù)載容量的1.3～1.5倍配置。常用的規(guī)格為1kVA、2kVA、3kVA、5kVA、6kVA、10kVA、12kVA、15kVA、20kVA等。小型UPS電源裝置輸入電壓為交流單相220V，可用于微型計(jì)算機(jī)和精密電子儀器配套使用的備用電源。中型UPS電源裝置輸入電壓一般為交流單相220V、10～15kVA的裝置，輸入電壓也有三相380V的產(chǎn)品，廣泛用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、航空管理系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、精密儀器等系統(tǒng)中。大型UPS電源裝置輸入電壓為三相220/380V，用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、網(wǎng)管控制系統(tǒng)、精密儀器儀表、高靈敏用電設(shè)備。提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠、干凈的交流電源。UPS電源裝置對電網(wǎng)適應(yīng)能力輸入電壓變化的適用范圍為±15％，但在輸入電壓超過±10％時(shí)會(huì)使在線式UPS電源裝置失去轉(zhuǎn)旁路的功能。對電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍過大的地區(qū)，最好在UPS電源裝置前級配置適當(dāng)?shù)慕涣鞣€(wěn)壓設(shè)備。輸入電壓頻率一般變化在50±0.5Hz以內(nèi)，市電頻率是相當(dāng)穩(wěn)定的，UPS電源逆變器的工作頻率是必須與輸入電壓同步并鎖相的，這是UPS電源在負(fù)載和逆變器故障時(shí)轉(zhuǎn)旁路供電功能的最根本條件。輸入功率因數(shù)低時(shí)，就在UPS電源從電網(wǎng)吸收有功率的同時(shí)，還要吸收無功功率，則增大系統(tǒng)的配置容量，影響系統(tǒng)的供電質(zhì)量，降低UPS電源的工作效率，增大運(yùn)行成本。電力部門對用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)要求在0.9以上，當(dāng)不滿足要求時(shí)，就必須配置無源或有源的功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。輸入電流諧波成分不僅是造成UPS電源輸入功率因數(shù)低的直接原因，還對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染。應(yīng)符合IEC1000-3-2《接入低壓交流電網(wǎng)設(shè)備的諧波電流限值》和IEC1000-3-4諧波電流限值。IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)適用于輸入電流≤16A的設(shè)備。IEC1000-3-4標(biāo)準(zhǔn)適用于輸入電流＞16A的設(shè)備。表10-2-1IEC1000-3-2諧波電流限值諧波次數(shù)諧波電流最大允許值（A）32.351.1470.7790.40110.33130.2115≤n≤390.15×15n21.0840.4360.308≤n≤400.23×18nIEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)適用于輸入電流≤16A的設(shè)備。表10-2-2IEC1000-3-4諧波電流限制標(biāo)準(zhǔn)諧波次數(shù)諧波電流允許值（In/I1）％321.65777.293.8113.1132.0150.7171.2191.121≤0.6230.9250.827≤0.6290.7310.733≤0.6偶次≤0.8或≤0.6頻率跟蹤速率是指當(dāng)市電頻率變化時(shí)，逆變器工作頻率跟蹤市電頻率變化的響應(yīng)能力，以Hz/s表示，一般為1Hz/s。頻率跟蹤速率過大，逆變器對市電頻率變化太敏感，造成逆變器工作頻率不穩(wěn)定或抖動(dòng)；過小則逆變器對市電頻率變化產(chǎn)生同步超差，當(dāng)輸出過載，逆變器發(fā)生故障或機(jī)內(nèi)溫度過高時(shí)，影響逆變轉(zhuǎn)旁路動(dòng)作的可靠性。UPS電源對環(huán)境應(yīng)具有適應(yīng)能力，包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、振動(dòng)沖擊、海拔高度、抗雷擊能力及某些特殊的安裝條件。4UPS電源的主要電性能指標(biāo)YD/T1095-2000《通信用不間斷電源－UPS》標(biāo)準(zhǔn)中對UPS電源主要電性能指標(biāo)作了規(guī)定，并做了分類處理。第三類指標(biāo)：能滿足負(fù)載要求的最低性能指標(biāo)。一般性負(fù)載設(shè)備在此指標(biāo)下可正常運(yùn)行。第二類指標(biāo)：UPS各類電性能指標(biāo)能達(dá)到此類標(biāo)準(zhǔn)，算是比較好的產(chǎn)品。第一類指標(biāo)：是當(dāng)前UPS技術(shù)水平所能達(dá)到的或改進(jìn)后能達(dá)到的最高水平。UPS電源的主要電性能指標(biāo)見表10-2-3。表10-2-3主要電性能指標(biāo)序號指標(biāo)項(xiàng)目技術(shù)要求備注ⅠⅡⅢ1輸入電壓可變范圍±25％±20％＋10％－15％2輸入功率因數(shù)≥0.95≥0.90≥0.853輸入電流諧波成分＜5％＜15％＜25％規(guī)定3～39次THDA4允許輸入頻率范圍50Hz±4％5頻率跟蹤范圍50Hz±4％可調(diào)6頻率跟蹤速率≤1Hz/s7輸出電壓穩(wěn)壓精度±1％±3％±5％8輸出頻率（50±0.5）Hz電池逆變工作方式9輸出波形失真度≤2％≤3％≤5％線性負(fù)載10輸出電壓不平衡度≤5％11動(dòng)態(tài)電壓瞬變范圍±5％電池逆變工作方式12瞬變響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間（ms）≤20≤40≤60電池逆變工作方式13輸出電壓相位偏差≤3°平衡線性負(fù)載14市電電池切換時(shí)間（ms）0＜4＜415旁路逆變切換時(shí)間（ms）＜1＜4＜4逆變器故障切換時(shí)16電源效率＞10kVA≥90％≤10kVA≥80％正常工作方式17輸出功率因數(shù)≤0.818輸出電流峰值系數(shù)≥3.1電池逆變工作方式19過載能力10min1min30s正常工作方式，過載125％20噪聲（dB）＜55＜60＜7021并機(jī)負(fù)載電流不均衡度≤5％對有直接并機(jī)功能的UPS5UPS電源的分類UPS電源按其工作方式可分為后備式、在線互動(dòng)式、傳統(tǒng)雙變換在線式和Delta變換在線式。1.后備式UPS電源是指在電網(wǎng)正常供電時(shí)，由電網(wǎng)直接向負(fù)荷供電，當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，蓄電池對UPS電源的逆變器供電，并由逆變器向負(fù)荷提供交流電源，即逆變器總是處于后備供電狀態(tài)。其特點(diǎn)是成本低、效率高，但輸出電壓和頻率不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換中斷。不適合高速通信及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)框圖見圖10-2-1。圖10-2-1后備UPS電路結(jié)構(gòu)框圖2.在線互動(dòng)式UPS電源是指在電網(wǎng)正常供電，而其電壓和頻率在允許范圍內(nèi)，通過自動(dòng)旁路開關(guān)由電網(wǎng)直接向負(fù)荷供電，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率不穩(wěn)定，超過允許范圍時(shí)，則市電通過整流逆變器向負(fù)荷供電。當(dāng)電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，UPS電源又經(jīng)自動(dòng)旁路開關(guān)由電網(wǎng)直接向負(fù)荷供電。其特點(diǎn)是成本低，正常情況下效率高，輸出電壓穩(wěn)定。但輸出頻率不穩(wěn)定，存在轉(zhuǎn)換時(shí)間（4ms）。不適合發(fā)電機(jī)組供電和市電不穩(wěn)定環(huán)境，不適合高速通信及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)框圖見圖10-2-2。圖10-2-2在線互動(dòng)式UPS電路結(jié)構(gòu)框圖3.在線式UPS電源平時(shí)是由電網(wǎng)通過其整流電路向逆變電路提供直流電源，并由逆變電路向負(fù)荷提供交流電源。當(dāng)電網(wǎng)供電中斷時(shí)，改由蓄電池經(jīng)逆變電路向負(fù)荷提供交流電源。其特點(diǎn)是高質(zhì)量電源輸出；頻率、電壓穩(wěn)定；零中斷轉(zhuǎn)換。但成本高、效率相對降低。適用于頻率和電壓不穩(wěn)定的環(huán)境和高速通信及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。其電路結(jié)構(gòu)框圖見圖10-2-3。它是在線式UPS電源的最初形式，故稱之為傳統(tǒng)雙變換在線式。圖10-2-3傳統(tǒng)雙變換在線式UPS電路結(jié)構(gòu)框圖Delta變換在線式UPS電源是把電網(wǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)中的串并聯(lián)有源濾波技術(shù)應(yīng)用到UPS的電路結(jié)構(gòu)中，保留了傳統(tǒng)雙變換在線式UPS電源的高性能輸出指標(biāo)，克服了其對電網(wǎng)產(chǎn)生污染和輸出能力差的缺點(diǎn)，是一種性能更好的在線式UPS電源。其電路結(jié)構(gòu)框圖見圖10-2-4。圖10-2-4Delta變換在線式UPS電路結(jié)構(gòu)框圖6不同結(jié)構(gòu)形式UPS電源的主要性能比較不同類型UPS電源對電網(wǎng)的污染不同類型UPS電源對電網(wǎng)的污染程度不同，而功率越大，污染越嚴(yán)重。見表10-2-4。表10-2-4不同類型UPS對電網(wǎng)污染程度的比較UPS指標(biāo)電網(wǎng)要求（相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）后備式在線互動(dòng)式傳統(tǒng)雙變換式Delta變換式一般12脈沖整流高頻整流輸入功率因數(shù)≥0.95等于負(fù)載功率因數(shù)等于負(fù)載功率因數(shù)≤0.80.950.990.99輸入電流諧波成分≤10％等于負(fù)載電流諧波成分等于負(fù)載電流諧波成分≥30％10％＜5％＜5％對電網(wǎng)能量利用率無功功率小則利用率高低低低一般高高與柴油發(fā)電機(jī)容量比2～4:12～4:12～4:12～4:11.5:11.5:1大功率傳統(tǒng)雙變換UPS電源由于它把多臺(tái)負(fù)載設(shè)備的總功率集中起來整流濾波，它對電網(wǎng)的污染要比總?cè)萘肯嗤亩嗯_(tái)分散的非線性負(fù)載設(shè)備對電網(wǎng)的污染要嚴(yán)重得多。不同類型UPS電源的輸出能力和可靠性UPS電源的輸出能力的大小，實(shí)際上代表著UPS電源可靠性的高低。表10-2-5反映了不同類型UPS電源的輸出能力和可靠性指標(biāo)的區(qū)別。表中各項(xiàng)指標(biāo)指市電正常時(shí)的情況，在電池逆變時(shí)各種類型的UPS電源沒有本質(zhì)上的差別。表10-2-5不同電路結(jié)構(gòu)類型UPS輸出能力和可靠性的比較可靠性及輸出能力指標(biāo)負(fù)載要求及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后備式在線互動(dòng)式中小功率傳統(tǒng)雙變換式大功率傳統(tǒng)雙變換式Delta變換式一般12脈沖整流整機(jī)效率越高越好98％98％80％～85％90％～92％＜90％＞95％負(fù)載電流峰值系數(shù)越大越好不限制不限制3:13:13:1＞5:1負(fù)載電流浪涌系數(shù)越大越好不限制不限制轉(zhuǎn)旁路啟動(dòng)轉(zhuǎn)旁路啟動(dòng)轉(zhuǎn)旁路啟動(dòng)不限制允許的負(fù)載功率因數(shù)越寬越好不限制不限制-0.7-0.7-0.7市電-0.6～＋0.9電池-0.7逆變器長延時(shí)工作能力任意受熱容量限制不限制不限制不限制不限制不限制過載能力150％1min強(qiáng)強(qiáng)150％1min150％1min150％1min200％1min不同類型UPS電源的輸出電性能指標(biāo)對UPS電源輸出電性能指標(biāo)的要求完全由負(fù)載決定，但不同類型UPS電源能達(dá)到的電性能指標(biāo)卻表現(xiàn)出明顯的差別，決定了不同類型UPS電源的適用范圍和品質(zhì)的優(yōu)劣。見表10-2-6。表10-2-6不同類型UPS輸出電性能指標(biāo)的比較輸出性能指標(biāo)負(fù)載要求及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后備式在線互動(dòng)式傳統(tǒng)雙變換式Delta變換式備注電壓波形正弦波，準(zhǔn)正弦波方波，準(zhǔn)正弦波，正弦波正弦波正弦波正弦波電壓穩(wěn)定精度±5％～±10％±5％～±10％±5％～±10％±1％±1％電壓波形失真度＜±5％與電網(wǎng)和負(fù)載有關(guān)與電網(wǎng)和負(fù)載有關(guān)＜3％線性負(fù)載＜5％非線性負(fù)載＜3％線性負(fù)載＜5％非線性負(fù)載瞬態(tài)電壓動(dòng)態(tài)范圍±5％＜±5％＜±5％＜±5％＜±5％指輸出電壓幅值的變化量瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間（ms）20～6010～2010～202020負(fù)載不平衡度100％100％100％指三相輸出UPS三相電壓幅值不平衡度≤5％≤1％平衡負(fù)載≤3％不平衡負(fù)載1％平衡負(fù)載1％不平衡負(fù)載市電－電池切換時(shí)間（ms）＜10≤10≤400逆變旁路切換時(shí)間（ms）＜2＜2并機(jī)負(fù)載不均衡度＜5％2％~5％1％雙向抗干擾能力差差強(qiáng)，但UPS本身對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾強(qiáng)輸出單臺(tái)容量（kVA）≤2≤51～80010～500根據(jù)市場已有產(chǎn)品7UPS電源接線方案根據(jù)供電的可靠性、連續(xù)性、穩(wěn)定性和電源容量及其他參數(shù)質(zhì)量要求，UPS電源系統(tǒng)可分為：單一式UPS電源系統(tǒng)；并聯(lián)式UPS電源系統(tǒng)；冗余式UPS電源系統(tǒng)。單一式UPS電源接線系統(tǒng)單一式UPS電源系統(tǒng)只有一臺(tái)UPS電源，由整流器、逆變器、蓄電池和旁路開關(guān)組成，一般適用于中小容量的UPS電源。并聯(lián)式UPS電源接線系統(tǒng)并聯(lián)式UPS電源系統(tǒng)具有一臺(tái)UPS電源和另一臺(tái)UPS電源并聯(lián)運(yùn)行。要求兩臺(tái)UPS電源與市電旁路電源保持同步運(yùn)行。正常時(shí)兩臺(tái)UPS電源同時(shí)向負(fù)荷供電，各供一半負(fù)荷，當(dāng)一臺(tái)UPS電源故障時(shí)，經(jīng)交流靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)切除故障UPS電源而不影響系統(tǒng)供電。此時(shí)另一臺(tái)UPS電源承擔(dān)全部用電負(fù)荷。在需要時(shí)用電負(fù)荷也可經(jīng)交流靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)切換到市電旁路電源供電，但此時(shí)供電主要技術(shù)指標(biāo)將取決于市電，供電質(zhì)量有所下降。冗余式UPS電源系統(tǒng)備用冗余式UPS電源系統(tǒng)：當(dāng)運(yùn)行中的UPS電源發(fā)生故障時(shí)，則瞬間經(jīng)交流靜態(tài)開關(guān)切換到備用UPS電源向負(fù)荷供電，并切除發(fā)生故障的UPS電源。并聯(lián)冗余式UPS電源系統(tǒng)：系統(tǒng)由若干個(gè)分擔(dān)用電負(fù)荷的UPS電源組成，所有UPS電源的輸出直接并聯(lián)向負(fù)荷供電。并聯(lián)冗余多臺(tái)UPS電源其總?cè)萘砍^負(fù)荷容量至少多一個(gè)UPS電源的容量，因此可切斷其中任一故障電源，來保證供電的連續(xù)性，連續(xù)對全部負(fù)荷供電。該系統(tǒng)有利于UPS電源的使用壽命，配置靈活，既可增容，也可冗余；有利于提高后備時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性。8UPS電源選用及工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)UPS電源選用規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)GB/T14715-1993《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用技術(shù)條件》；GB/T7260-1987《不間斷電源設(shè)備》；GB/T17478-1988《低壓直流電源設(shè)備的特性和安全要求》；YD/T1095-2000《通信用不間斷電源－UPS》；YD5040-1997《通信電源設(shè)備安裝設(shè)計(jì)規(guī)范》；JB/T8982-1999《三相交流穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源機(jī)組及系統(tǒng)技術(shù)條件》；JB/T56223-1999《不間斷電源設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量分等》。UPS電源工作的環(huán)境條件海拔高度1000m以下（有些產(chǎn)品可工作在海拔2000m或3000m以下）；室內(nèi)環(huán)境溫度0～＋40℃（蓄電池室的環(huán)境溫度20～25℃）；室內(nèi)相對濕度不大于90％（不允許結(jié)露）；無劇烈振動(dòng)、沖擊、垂直傾斜度不超過5度的場所；無易燃導(dǎo)電塵埃、無腐蝕性氣體和爆炸危險(xiǎn)的場所。根據(jù)具體工程設(shè)計(jì)要求選用不同類型的UPS電源供電系統(tǒng)單一式的UPS電源供電系統(tǒng)可靠性相對低些，其容量相對小些，如需要高可靠、大容量的UPS電源可采用并聯(lián)式UPS電源系統(tǒng)或冗余式UPS電源系統(tǒng)。UPS電源的節(jié)能運(yùn)行（ECO）模式對電壓和頻率參數(shù)不敏感的負(fù)荷采用節(jié)能運(yùn)行（ECO）模式，即市電正常時(shí)，負(fù)荷由旁路交流電源通過自動(dòng)旁路供電。當(dāng)電源故障或超出允許范圍，負(fù)荷自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀兤鞴╇姡粫?huì)中斷。當(dāng)電源恢復(fù)到容限范圍內(nèi)，負(fù)荷又不間斷地轉(zhuǎn)回到旁路交流電源供電。UPS電源的節(jié)能運(yùn)行（ECO）模式依靠智能能源管理系統(tǒng)跟